Schlüter, MichaelMichaelSchlüter10922035670000-0001-5969-2150Brennecke, FlorianFlorianBrennecke2026-06-162026-06-162026Technische Universität Hamburg (2026)https://hdl.handle.net/11420/63482Despite the growing attention for membrane-based processes, especially those targeted at the reduction of greenhouse gas emissions, the transfer of a membrane production process from laboratory scale to the large scale is still a challenge. Many production steps involve manual fine-tuning and a large number of experiments to find the appropriate process parameters for the desired coating result. Adding to the complexity of the problem, increasing awareness is raised to sustainability of the fabrication process and materials utilized for membranes. The anticipated increase in restrictions on the use of toxic or environmentally harmful solvents fuels the search for greener alternatives. This implies a growing demand for a better understanding of how chemical and physical properties of the used polymers and solvents interact in the fabrication process of membranes, and how this can be modelled and predicted to save time and resources. In this thesis, the roll-to-roll coating process in the large-scale fabrication of thin film composite membranes is modelled and simulated by means of computational fluid dynamics. The interface of the free-surface flow is captured using a moving mesh approach and the evaporation of solvent and its effect on the polymer concentration, and thus viscosity and density of the solution, is incorporated. To reduce the computational effort, the model was set up in two dimensions only. For the model validation, several measurement techniques were employed. The final polymer thickness on the membrane is determined via electron microscopy images and also derived from mass-loss measurements of the polymer solution feed during coating experiments. Furthermore, the liquid film thickness on the applicator roll of the coating device is measured via a confocal laser displacement sensor and compared to the model predictions. As a first step, the predictive quality of the model was evaluated for the polydimethylsiloxane (PDMS) based coating of the protective top layer of the membranes and demonstrated the principal validity of the approach. The final polymer thickness could be predicted with an error of approximately 20% compared to the empirical mean value for several coating conditions. Subsequently, the same model was used to predict coating thicknesses of PolyActive™ solution, a multiblock copolymer that is used for the selective layer of membranes that are designated for CO2 separation tasks. The polymer is dissolved in a mixture of three solvents, which are concealed for confidential reasons and will be abbreviated as solvent mixture component 1-3 (SMC 1-3). This marks another difference to the PDMS coating which is done in one solvent (isooctane). In contrast to the PDMS homopolymer, the coating thickness on the membrane was found to deviate strongly from model predictions, showing an approximately four-times thicker polymer layer than expected. Two main changes in the model were done that might account for this, namely the inclusion of viscoelastic effects of the polymer and the Marangoni effects caused by the inhomogeneous distribution of the polymer at the interface, which is thought to act like a surfactant that induces surface tension gradients and therefore secondary flow patterns. Shear rate and oscillatory viscosity measurements of PolyActive™ solution were performed and, together with simulation results and data from literature, suggest that viscoelasticity is not likely to be the cause of the observed thickening effect. In contrast, the implemented Marangoni effects were able to reproduce the observed thickening effect in large parts. As literature data on similar block copolymers demonstrate the amphiphilic character and surface activity of such polymers, this explanation seems more plausible, although several uncertainties concerning numerical robustness and model parameters remain to be addressed in future research. In addition, the coating of PolyActive™ was repeated with pure SMC 3 as the solvent. Here, the thickening effect was even stronger and could not be explained via simulations so far, even though some results hint at thermal effects that might play a role due to the high volatility of SMC 3. Nevertheless, the implemented computational fluid dynamics (CFD) model delivers valuable insights into the complexities of this particular coating process and highlights the sensitivity of the system to fluid-mechanical force gradients on the micro-scale.Trotz der wachsenden Beachtung von Membran-basierten Prozessen, insbesondere jenen, die der Reduktion von Treibhausgasen dienen, ist der Transfer von Membranproduktionsprozessen vom Labormaßstab zum Großmaßstab weiterhin eine Herausforderung. Viele Produktionsschritte erfordern manuelle Feinjustierung und eine hohe Zahl von Experimenten, um die geeigneten Prozessparameter für das gewünschte Beschichtungsresultat zu finden. Die Komplexität des Problems wird zusätzlich erhöht, indem die Nachhaltigkeit des Fabrikationsprozesses und der eingesetzten Materialien steigende Beachtung erfährt. Die zu erwartende Verschärfung von Regularien in Bezug auf die Verwendung von toxischen oder umweltschädlichen Lösemitteln befeuert die Suche nach „grünen“ Alternativen. Dies verlangt jedoch ein besseres Verständnis der Interaktionen von chemischen und physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Polymere und Lösemittel mit dem Fabrikationsprozess von Membranen und nach akkuraten Modellen zur Vorhersage des Beschichtungsprozesses, um Zeit und Geld in der experimentellen Fabrikation zu sparen. In dieser Arbeit wurde der Rollenbeschichtungsprozess zur großskaliegen Herstellung von Dünnschicht Komposit Membranen mit Hilfe von numerischer Strömungsmechanik (auf Englisch computational fluid dynamics (CFD)) modelliert und simuliert. Dabei wurde die Phasengrenzfläche der Strömung mit einem beweglichen Rechennetz erfasst und die Verdunstung des Lösemittels, sowie dessen Effekt auf die lokale Polymerkonzentration, Viskosität und Dichte, wurde mitberücksichtigt. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, wurde dabei ein zweidimensionales Modell verwendet. Für die Modellvalidierung wurden verschiedene Messmethoden eingesetzt. Die finale Polymerdicke auf der Membran wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie vermessen und zusätzlich aus Massenverlustmessungen der Polymerlösung während des Beschichtungsvorganges hochgerechnet. Zudem wurde die Dicke des Flüssigkeitsfilms auf der Auftragsrolle der Beschichtungsanlage mittels Konfokal Laser gemessen und mit den Modellvorhersagen verglichen. In einem ersten Schritt wurde die Vorhersagegüte des Modells für die Beschichtung von Polydimethylsiloxan (PDMS), welches für die Deckschicht der Membranen eingesetzt wird, evaluiert und bewies dabei die prinzipielle Validität des gewählten Modellansatzes. Für eine Reihe von Beschichtungsbedingungen konnte dabei die finale Polymerdicke innerhalb eines Fehlerbereiches von 20% genau vorhergesagt werden. Danach wurde das gleiche Modell genutzt, um die Beschichtungsdicke bei der Verwendung von einer PolyActive™-Lösung vorherzusagen, einem Multiblock Copolymer welches für die Selektivschicht von Membranen für die Abtrennung von CO2 eingesetzt wird. Das Polymer ist dabei gelöst in einem drei-Komponenten Lösemittelgemisch, was ein weiterer Unterschied zur PDMS-Beschichtung darstellt, wo reines Iso-Oktan als Lösemittel fungiert. Aus Lizenz rechtlichen Gründen werden die genauen Komponenten des Lösemittelgemisches hier nicht genannt und nur durch „solvent mixture component 1-3“ (SMC 1-3) abgekürzt. Im Gegensatz zu dem PDMS Homopolymer weicht die Polymerdicke hier deutlich von den vorhergesagten Werten ab, mit einer Dicke die ca. dem vierfachen der Erwartung entspricht. Daraufhin wurden zwei Ergänzungen zum Modell getestet, welche beide die gefundenen Abweichungen erklären könnten. Dies waren zum einen eine mögliche Viskoelastizität der Polymerlösung und zum anderen ein möglicher Marangoni-Effekt verursacht durch eine inhomogene Verteilung des Polymers an der Phasengrenzfläche, welches hier als oberflächenaktives Molekül modelliert wird, das damit Unterschiede in der Oberflächenspannung mit Sekundärströmen induziert. Scherratenabhängige und oszillierende Viskositätsmessungen der PolyActive™-Lösung wurden ebenso durchgeführt und legen nahe, zusammen mit den Simulationen und Ergebnissen aus der Literatur, dass viskoelastische Eigenschaften eher unwahrscheinlich sind, um den beobachteten Verdickungseffekt zu erklären. Im Gegensatz dazu konnte die Implementierung von Marangoni-Effekten den beobachteten Verdickungseffekt zum größten Teil erklären und reproduzieren. Da Literaturdaten zu ähnlichen Multiblock Copolymeren eine amphiphilen Charakter und Oberflächenaktivität solcher Polymere nahe legen, scheint diese Erklärung plausibler, auch wenn einige Restzweifel in Bezug auf die numerische Robustheit und Wahl der Modellparameter verbleiben und in zukünftigen Arbeiten adressiert werden sollten. Zusätzlich wurde die Beschichtung von PolyActive™ in reinem SMC 3 als Lösemittel durchgeführt. In diesem Fall war der beobachtete Verdickungseffekt sogar noch stärker und konnte bisher nicht durch Simulationen erklärt werden, auch wenn es Hinweise gibt, dass thermische Effekte durch die höhere Verdunstungsrate von SMC 3 hier eine Rolle spielen könnten. Nichtsdestotrotz liefert das implementierte Modell wertvolle Einblicke in die Komplexitäten dieses speziellen Beschichtungsverfahrens und stellt die hohe Sensitivität des Systems in Bezug auf Fluid-mechanische Kraftgradienten heraus, welche sich auf mikroskopischen Skalen manifestieren können.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/TFC membranesPolyactiveComputational fluid dynamicsCOMSOLRoll-to-roll CoatingTechnology::660: Chemistry; Chemical Engineering::660.2: Chemical EngineeringDoctoral Thesis10.15480/882.17313Smirnova, IrinaIrinaSmirnovaBrinkmann, ThorstenThorstenBrinkmann