Elektrisch leitfähige poröse Materialien (Membranen) zur Elektrosorption / - desorption natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Natürliche Wasserquellen, einschließlich Oberflächenwasser, enthalten eine Vielzahl von organischen Verbindungen, wobei natürliche organische Stoffe (NOM) i.d.R. Herausforderungen für die Wasseraufbereitung darstellen. Die Entfernung von bestimmten NOM-Fraktionen, insbesondere von Verbindungen mit höherem Molekulargewicht wie Huminstoffe (HS), ist sinnvoll, um die Bildung von Desinfektionsnebenprodukten (DBP) wie Trihalogenmethanen (THM) und Haloessigsäuren (HAAs) in chloriertem Wasser zu reduzieren. Der beste Ansatz zur Verringerung des DBP-Potenzials besteht darin, NOM vor dem Desinfektionsschritt zu entfernen. In Projekt wurden elektrisch leitfähige (EL) poröse Membranen hergestellt und untersucht, um die Entfernbarkeit von NOM durch Ultrafiltration (UF) zu erhöhen, indem ein elektrisches Potenzial während des Filtrationsprozesses verwendet wird, während das Membran-Fouling (Deckschichtbildung) niedrig gehalten wird. Zur Herstellung der EL-Membranen wurden unbehandelte sowie modifizierte Polyacrylnitril (PAN) UF-Membranen mit verschiedenen chemischen Funktionsgruppen verwendet. Auf die Membran wurde mithilfe eines plasmabasierten Magnetron- Sputterverfahrens eine poröse, dünne leitfähige Metall-Nanoschicht aufgebracht. Diese porösen EL-Membranen wurden dann in Durchflusselektrodenkonfiguration in einer Dead-End Filtration untersucht. Um den Aufbau der Membranzelle zu vereinfachen, wurde die Membran auf beiden Seiten mit Pt beschichtet, so dass keine zusätzliche Gegenelektrode erforderlich war. Eine elektrische Potentialdifferenz zwischen 0,5 V und 2,5 V zwischen die Elektroden angelegt, um den Elektrosorptionsprozess während der Filtration zu steuern. Für die Elektrosorption von anionisch geladenen NOM wurden positive Potentiale an die Arbeitselektrode angelegt und für die Elektrodesorption wurde das Potential auf negativ umgeschaltet. UF-Membranmaterialien mit hoher Polarisierbarkeit und positivem Zetapotential erwiesen sich für die Elektrosorption als wirksam und unterstützten eine effiziente NOM-Entfernung ohne das es zu starkem Fouling kam. Die NOM Entfernungsleistung der EC-Membranen verbesserte sich mit zunehmendem positivem Potential und war kaum von der Filtrationsgeschwindigkeit (Kontaktzeit) abhängig. HS wurden an der EL Membran effizient entfernt. Allgemein reduzierte sich die Entfernbarkeit von NOM-Fraktionen mit abnehmendem Molekulargewicht der NOM bei einem Filtrationsdruck von < 0,2 bar. Ungeladene Anteile des NOM, die etwa 25% ausmachen, konnten nicht jedoch nicht entfernt werden. Der Elektrosorptions-Prozess war weitgehend reversibel, so dass die Filtration nach der Membranregeneration bei gleichbleibende Leistung möglich war. Ein weiterer Vorteil der Gegenelektrodenkonfiguration von EC-Membranen ist die Erhöhung des Filtrations- Fluxes aufgrund des elektroosmotischen Phänomens. Der Energiebedarf der Elektrofiltration ist sehr gering (20 Wh/m3), was eine effiziente Aufbereitung von NOM-haltigen Wässern ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Amine‐Terminated PAN Membranes as Anion‐Adsorber Materials. Chemie Ingenieur Technik, 93(9), 1396-1400.
Glass, Sarah; Mantel, Tomi; Appold, Michael; Sen, Sitashree; Usman, Muhammad; Ernst, Mathias & Filiz, Volkan
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Modification of Polyacrylonitrile Ultrafiltration Membranes to Enhance the Adsorption of Cations and Anions. Membranes, 12(6), 580.
Kishore, Chand Anthony Arvind; Bajer, Barbara; Schneider, Erik S.; Mantel, Tomi; Ernst, Mathias; Filiz, Volkan & Glass, Sarah
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Conductive membranes for removal of organic water constituents in drinking water treatment. Center for Molecular Water Science (CMWS) Water Days, 26-28 Feb. 2024, Hamburg.
Usman, Muhammad
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Electro-sorption and -desorption characteristics of electrically conductive polyacrylonitrile membranes to remove aqueous natural organic matter in dead-end ultrafiltration system. Journal of Water Process Engineering, 58, 104733.
Usman, Muhammad; Glass, Sarah; Mantel, Tomi; Filiz, Volkan & Ernst, Mathias
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Elucidating the Mechanism of Electro-Adsorption on Electrically Conductive Ultrafiltration Membranes via Modified Poisson-Boltzmann Equation. Membranes, 14(8), 175.
Usman, Muhammad; Vahedi, Shahrokh; Glass, Sarah; Filiz, Volkan & Ernst, Mathias
