Ernst, MathiasMathiasErnst11382055670000-0001-9282-6683Mantel, Tomi JonathanTomi JonathanMantel2022-04-112022-04-112022-04-08Technische Universität Hamburg (2022)http://hdl.handle.net/11420/12276Weltweit steigt der Wasserbedarf aufgrund von Bevölkerungszuwachs, wirtschaftlicher Ent-wicklung, Verschmutzung von Wasserressourcen und dem Klimawandel. Die Ultrafiltration (UF) ist eine vielversprechende Technologie zur Aufbereitung von Trinkwässern und Recycling von Abwässern, welche zur Lösung des globalen Problems der Wasserverknappung beitragen kann. Jedoch unterliegen UF-Membranen dem Problem des Foulings und zeigen einen nur geringen Rückhalt für gelöste Wasserinhaltsstoffe, insbesondere organische Substanzen. Das Trennverhalten von UF-Membranen wird einerseits von der Po¬rengrößenverteilung bestimmt, jedoch auch von der elektrischen Ladung der Membran. Generell gilt, dass mit zunehmendem Rückhalt von natür¬lichen organischen Wasserinhaltsstoffen (NOM) auch die Permeabilität der Membran abnimmt, was zu einem erhöhten spezifischen Energiebedarf führt. Dieser Zusammenhang wird als Selectivity-Permeability-Trade-off bezeichnet. Voran-gegangene Studien zeigten, dass Membranen, welche eine negative Ladung aufweisen, zu weniger Fouling und höheren NOM-Rückhalten neigen. Dies wird auf die negative Ladung der NOM und die daraus resultierende elektrostatische Abstoßung dieser von der Membran-oberfläche zurückgeführt. Durch die Erzeugung einer ultra¬dünnen leitfähigen Schicht auf der Oberfläche einer UF-Membranen, ist es möglich ein externes elektrisches Potential an UF-Membranen anzulegen und somit Einfluss auf das Filtrationsverhalten der Membran zu nehmen, indem die elektrostatischen Wechselwirkungen verstärkt werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden zwei kommerzielle UF-Membranen auf der Trenn- und Stützschicht mit einer ultradünnen Goldschicht besputtert (15 bzw. 40 nm). Dafür wurden eine intrinsisch negativ geladene (Polyethersulfon, UP150) und eine intrinsisch positiv geladene (Polyamid, M5) UF-Membran verwendet. Die Membranen wurden zunächst im unbeschichteten und dann im beschichteten Zustand charakterisiert. Hierbei wurden u. a. die Permeabilität, die elektrische Leitfähigkeit, die Hydrophilie, die BET-Oberfläche, das Zetapotential sowie der elektroosmotische Fluss untersucht. Durch die Sputterbeschichtung wird auf der Trennschicht der Membranen eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit generiert, wobei die Permeabilität sowie die Trennleistung der UP150 und M5-Membran weitgehend erhalten bleibt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Versuche zur elektrorepulsiven UF im Crossflow-Betrieb durch¬geführt. Dabei wurde gezeigt, dass sich NOM-Fouling vermindern und der NOM-Rückhalt stei¬gern lässt, wenn ein negatives Potential an die Membran angelegt wird. Ohne das Anlegen eines Potential (0 V) nimmt die Permeabilität während der Filtration von Hohlohsee-wasser um 49 % (± 2 %) ab, wobei beim Anlegen eines negativen Potentials (-2,5 V) die Permeabilität lediglich um 17 % (± 3 %) absinkt. Gleichzeitig führt die gesteigerte elektro-repulsive Absto¬ßung zu einer Zunahme des NOM-Rückhalts von 27 % (± 2 %) bei 0 V auf 72 % (± 5 %) bei -2,5 V. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden Versuche zur elektrosorptiven UF im Deadend-Betrieb durchgeführt. Durch das Anlegen eines positiven Potentials (+2,5 V) an die M5-Membran können NOM-Rückhalte wie im Bereich von Nanofiltrationsmembranen er¬reicht werden. Durch Umpolen des Potentials (von positiven zu negativen Werten), werden die zuvor elektrosorbierten NOM wieder von der Membran desorbiert. Die Trennleistung der UP150 wird durch Elektrorepulsion von 150 kDa (0 V) auf ca. 5 kDa ( 2,5 V) und die Trennleistung der M5 wird durch Elektrosorption von 1000 kDa (0 V) auf 0,7 kDa (+2,5V) gesteigert. Demnach können sowohl mit der elektrorepulsiven wie auch mit der elektrosorptiven UF der Permeability-Selectivity-Trade-off überwunden werden, wobei sich die elektrosorptive UF (hinsichtlich Permeabilität und Rückhalt) als vorteilhafter herausstellt.Humanity is facing a water crisis due growing water demand of an increasing population, economic development, water pollution, and climate change. Ultrafiltration (UF) is a promising technology for countering the global water crisis due to its high removal potential for pathogens and turbidity at high recovery and low demand of chemicals. However, it suffers from membrane fouling and low removal performance for organic water constitutes such as natural organic matter (NOM). The selectivity for NOM increases when the pore size of the UF membrane is decreased but this also leads to reduction of permeability and energy efficiency. This problem is called the selectivity-permeability trade-off. Electrically conductive UF membranes are a new approach which might offer a solution to these problems. Most NOM are negatively charged. By application of a negative or positive electrical potential to the membrane surface, a repulsive or attractive force is induced on the charged substances in the feed water, respectively, which influences the rejection and fouling behavior of these membranes. In this work, an ultra-thin gold coating was applied on the active and support layer of flat-sheet polymer membranes to achieve electrical conductivity. Due to the coating of both sides of the membrane, no additional counter electrode was necessary to apply an external potential. An intrinsically negatively charged polyethersulfone (PES, UP150) and an intrinsically positively charged polyamide (M5) membrane were used for electro-repulsive and electro-sorptive filtration experiments, respectively. In the first part of this thesis, the membranes were characterized before and after the gold-coating regarding its filtration and electrochemical properties. Sputter coating only slightly changed the filtration properties of the membranes. The molecular weight cut-off was almost not affected by the gold coating. However, the pure-water permeability was reduced by 15 % and 40 % for the M5 and UP150 membrane, respectively. In the second part of this thesis, electro-repulsive filtration was conducted with model NOM solutions and natural lake water with the UP150 membrane. At filtration of Hohloh lake water the permeability decreased by 49 % (± 2 %) when no external potential was applied (0 V). However, when negative potential was applied the permeability only decreased by 17 % (± 3 %) (at -2.5 V). The application of negative potential to the membrane active layer led to less fouling and an increased NOM rejection at cross-flow mode. The molecular weight cut-off was shifted from 150 kDa at no applied potential to 5 kDa at -2.5 V (cell potential). Therefore, it could be seen that the duplex-coated membrane configuration was almost as effective as conventional counter electrode configuration in fouling mitigating and rejection enhancement. In the third part, electro-sorptive dead-end filtration experiments showed that the application of a positive potential led to adsorption of NOM and negatively charged organic dye molecules. When the potential was reversed to negative potential, the previously adsorbed substances could be desorbed. The process of electrosorptive UF worked with the intrinsically positively charged M5 membrane but not with the intrinsically negatively charged UP150. The molecular weight cut-off of the M5 membrane was shifted from approx. 1000 kDa at no applied potential to approx. 0.7 kDa at +2.5 V (cell potential). Therefore, the electrosorptive UF achieved a NOM rejection performance in the range of commercially available nanofiltration membranes. At the same time, the positively charged M5 membrane showed permeability in the range of loose UF membranes and fouling was not observed to be problematic. The additional energy consumption for the application of the external potential was low with 0.03 kWh/m³ of permeate. Overall, electro-repulsive and electro-sorptive UF membranes, both, broke the selectivity-permeability trade-off of the UF process. Whereas, the electrosorptive enhancement of NOM removal was more pronounced than the electro-repulsive.dehttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/NOM, Ultrafiltration, Elektrisch leitfähige MembranenIngenieurwissenschaftenDoctoral Thesis10.15480/882.428710.15480/882.4287Huber, PatrickPatrickHuberOther