Ernst, MathiasMathiasErnst11382055670000-0001-9282-6683Kaushik, Shambhavi ArvindShambhavi ArvindKaushik2026-07-282026-07-282026Technische Universität Hamburg (2026)https://hdl.handle.net/11420/64057Reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) are established processes for removing hardness, sulfates, nitrates, trace organics, and other anthropogenic contaminants. However, membrane scaling remains a major operational challenge and is commonly overcome by adding antiscalants. Key issues with antiscalant use include varying effectiveness of different active ingredients, their dosage considerations and environmental concerns over the disposal of concentrate streams containing these chemicals. This study evaluates the effectiveness of various commercial antiscalants, focusing on appropriate evaluation methods, dosage behaviour and potential side-effects. Key objectives include (i) comparing methods for detecting scaling and inhibition potential and (ii) investigating scale inhibition performance against gypsum and calcite salts. A detailed evaluation of the molecular weight fractions and biological growth potential of PAA-based antiscalant was also examined. Additionally, the performance of a novel phosphorus (P)-free, plant-based CMI antiscalant was experimentally assessed. Evaluation of various methods for assessing scaling and antiscalant performance revealed significant differences based on scalant applicability, setup complexity, material requirements, and level of precision. Both the stirred-beaker test and membrane crossflow filtration were suitable for testing with gypsum and calcite, capturing differences in scaling behaviour and antiscalant performance. The stirred-beaker test, while simple to set up, effectively assessed threshold inhibition using induction time derived from rate of change of turbidity of the solution. The crossflow filtration test offered deeper insight into antiscalant performance under practical filtration conditions by monitoring rate of flux decline and followed by SEM characterization, but was more resource and time -intensive. Among the antiscalants tested, P-based ATMP, DTPMP, PAA+DTPMP showed better gypsum scale inhibition at 1 mg/L TS than at 0.5 mg/L TS, whereas PBTC performed poorly at both doses. In contrast, P-free PAA and CMI exhibited strong gypsum inhibition even at low dosages. In the case of calcite, ATMP and PBTC showed strong threshold inhibition at low dosage, whereas DTPMP performed comparatively poorly. Interestingly, the PAA+DTPMP and PAA antiscalant showed poor threshold inhibition, but good calcite dispersion property. CMI demonstrated strong threshold inhibition for calcite at all tested dosages. In nearly all cases, antiscalants modified the crystal structure and original morphology of the scaling salts. In-depth examination of the commercial PAA antiscalant and its molecular weight fractions (≤500 Da and ≥500 Da), revealed that the low molecular weight PAA fraction showed poor inhibition against both gypsum and calcite, while the high molecular weight PAA fraction demonstrated excellent inhibition potential. Bioavailability testing indicated that the low molecular weight fraction had higher biological growth potential, given by increased total cell count (TCC). Since the fractions ≤ 500 Da may potentially pass through less dense NF/RO membranes, it highlights additional challenges associated with antiscalant application in drinking water treatment. Overall, this study defined suitable test conditions and parameters for evaluating scaling inhibition in NF/RO, thereby supporting informed decision-making for the safe use of antiscalants in drinking water treatment.Umkehrosmose (UO) und Nanofiltration (NF) sind etablierte Verfahren zur Entfernung von Härtebildnern, Sulfaten, Nitraten und anderen anthropogenen organischen Spurenstoffen. Membran-Scaling stellt jedoch weiterhin eine große betriebliche Herausforderung dar und wird üblicherweise durch den Einsatz von Antiscalants bewältigt. Zentrale Fragestellungen hierbei sind die unterschiedliche Wirksamkeit verschiedener Wirkstoffe, Dosierungsaspekte sowie Umweltbedenken hinsichtlich der Entsorgung von Konzentratströmen mit diesen Chemikalien. Diese Studie untersucht die Wirksamkeit verschiedener kommerzieller Antiscalants mit Fokus auf geeignete Bewertungsmethoden, Dosierverhalten und mögliche Nebenwirkungen. Die Hauptziele umfassen (i) den Vergleich von Methoden zur Erfassung des Scaling- und Hemmungspotenzials sowie (ii) die Untersuchung der Wirksamkeit gegenüber Gips- und Calcit-Ablagerungen. Zusätzlich wurden Molekulargewichtsfraktionen und biologisches Wachstumspotenzial eines Polyacrylsäure (PAS)-basierten Antiscalants analysiert sowie die Wirksamkeit eines neuartigen Phosphor (P)-freien CMI-Antiscalants experimentell bewertet. Die Bewertung verschiedener Methoden zur Untersuchung von Scaling und Antiscalant-Wirksamkeit zeigte erhebliche Unterschiede hinsichtlich Anwendbarkeit, experimentellem Aufwand, Materialbedarf und Messgenauigkeit. Sowohl der Rührbecher-Test als auch die Membran-Crossflow-Filtration erwiesen sich als geeignet für Gips- und Calcit-Versuche, da sie die Erfassung von Unterschieden im Scaling-Verhalten und in der Antiscalant-Wirksamkeit ermöglichten. Der Rührbecher-Test ermöglichte mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau die Bestimmung der Threshold-Hemmung (Hemmung der Kristallkeimbildung) anhand der aus der Trübungsänderungsrate abgeleiteten Induktionszeit. Der Crossflow-Filtrationsversuch lieferte durch die Überwachung der Permeatflux-Abnahmerate und anschließende REM-Charakterisierung tiefere Einblicke unter praxisnahen Filtrationsbedingungen, war jedoch mit höherem Zeit- und Ressourcenaufwand verbunden. Unter den getesteten Antiscalants zeigten die P-basierten ATMP, DTPMP und PAS+DTPMP bei 1 mg/L TS eine bessere Gips-Scaling-Hemmung als bei 0,5 mg/L TS, während PBTC bei beiden Dosierungen eine geringe Wirksamkeit aufwies. Die P-freien Antiscalants PAS und CMI zeigten hingegen bereits bei niedrigen Dosierungen eine starke Hemmwirkung gegenüber Gips. Bei Calcit zeigten ATMP und PBTC bereits bei niedriger Dosierung eine starke Threshold-Hemmung, während DTPMP vergleichsweise schlecht abschnitt. PAS+DTPMP und PAS zeigten trotz geringer Threshold-Hemmung gute Dispergiereigenschaften gegenüber Calcit. CMI zeigte bei allen getesteten Dosierungen eine starke Threshold-Hemmung gegenüber Calcit. In nahezu allen Fällen veränderten Antiscalants die Kristallstruktur und die ursprüngliche Morphologie der Scaling-Salze. Die Untersuchung des kommerziellen PAS-basierten Antiscalants und seiner Molekulargewichtsfraktionen (≤500 Da und ≥500 Da) zeigte, dass die niedermolekulare Fraktion gegenüber Gips und Calcit eine geringe Hemmwirkung aufwies, während die hochmolekulare Fraktion ein ausgezeichnetes Hemmpotenzial zeigte. Die niedermolekulare Fraktion wies zudem ein höheres biologisches Wachstumspotenzial auf, erkennbar an einer erhöhten Gesamtzellzahl (GZZ). Da Fraktionen ≤500 Da potenziell weniger dichte NF-/UO-Membranen passieren können, ergeben sich zusätzliche Herausforderungen für den Einsatz von Antiscalants in der Trinkwasseraufbereitung. Zusammenfassend wurden in dieser Studie geeignete Testbedingungen und Parameter zur Bewertung der Scaling-Hemmung in NF-/UO-Verfahren definiert und damit eine fundierte Entscheidungsgrundlage für den sicheren Einsatz von Antiscalants in der Trinkwasseraufbereitung geschaffen.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Reverse osmosisscalingantiscalantsphosphonatespolyacrylic acidscarboxymethyl inulineffectiveness testsbioavailabilityTechnology::660: Chemistry; Chemical EngineeringDoctoral Thesis10.15480/882.17621Muff, JensJensMuff