A systematic investigation of transport phenomena in organic solvent nanofiltration

Hoffmann, Stefanie; Gorak, Andrzej; Wessling, Matthias

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-079483

A systematic investigation of transport phenomena in organic solvent nanofiltration = Eine systematische Untersuchung von Transportphänomenen in organophiler Nanofiltration

Hoffmann, Stefanie

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefanie Hoffmann geb. Postel

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (iv, 145 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor) ; Gorak, Andrzej (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-11-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-079483
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565633/files/565633.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565633/files/565633.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; Membran (frei) ; organophile Nanofiltration (frei) ; negative Retention (frei) ; Nanofiltration (frei) ; Modellierung (frei) ; silikonbasierte Membran (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Durch das große Einsparpotential hinsichtlich Energie, Produkt- und Abfallströme hat die organophile Nanofiltration in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Diese Technologie bietet die Möglichkeiten unter milden Bedingungen auch komplexeorganische Gemische zu trennen. Durch nicht vollständiges Grundlageverständnis wird das Potential dieser Technologie bishernicht vollständig genutzt. In der vorliegenden Arbeit wird eine systematische Studie vorgestellt, die einen Betrag leisten soll, Transportvorgänge in einen Nanofiltrationsprozess mit organischen Lösemitteln besser verstehen und gegebenenfalls vorhersagen zu können. Hierzu wurde der Einfluss verschiedener Faktoren auf den Transport einer silikonbasierten organophilen Nanofiltrationsmembran untersucht. Hierbei wurde insbesondere die sogenannte ,Negative Retention‘ vorgestellt und untersucht. Zunächst wurde der Einfluss vier verschiedener Lösemittel und vier verschiedener gelöster Komponentenklassen untersucht. Hierbei wurde zunächst die Trennleistung der Membran unter Verwendung einer Komponentenklasse in einem Lösemittel charakterisiert. Das Phänomen des negativen Rückhalts konnte beobachtet werden und wurde des Weiteren systematisch untersucht. Ein Zusammenhang zwischen der Affinität und der negativen Retention konnte hergestellt werden. Des Weiteren wurde die Membranleistung durch zwei unterschiedliche Komponentenklassen, welche in jeweils reinem Lösemittel gelöst wurden charakterisiert. Im Anschluss wurde dann der Einfluss von binären Lösemittelmischungen auf den Membran-Rückhalt von zwei unterschiedlichen Komponentenklassen aufgezeigt. Für ein tiefergehendes Verständnis bezüglich unterschiedlicher Retention durch die Verwendung von unterschiedlichen Lösemitteln zu generieren, wurden Sorptionsmessungen durchgeführt. Ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Sorption und der Trennleistung konnte hierdurch hergestellt werden. Die Verbindung zur klassischen, wässrigen Nanofiltration wurde im Anschluss durchgeführt. Hierzu wurde der Rückhalt von ein- und mehrwertgien Salzen in wässrigen Methanol-Lösungen untersucht. Der Zusammenhang zwischen der Dissoziation und des unterschiedlichen Rückhaltes wurde hierbei deutlich. Die mathematische Beschreibung dieser Transportvorgänge wurde dann durchgeführt. Erfolgreiche Simulationen aber auch Grenzen dieser konnten hier beobachtet werden.

In several industries organic solvent nanofiltration (OSN) offers a high potential as energy-, product- and waste-saving alternative compared with commonly used unit operations. Thus, organic solvent nanofiltration gained importance in recent decades. This technology separates complex organic mixtures under mild conditions. To use the full potential of OSN, a thorough understanding of the separation mechanism is essential. This work systematically investigates solvent as well as solute transport through adense PDMS-based polymeric OSN membrane. Experiments with four different solute classes, namely polyethylene glycol (194 - 820 Da), linear carboxylic acid (228 - 340 Da), polystyrene (162 - 2000 Da) and n alkanes with different chain length (142 - 339 Da) were performed. These solutes are dissolved in n-hexane, toluene, isopropanol or in methanol. Furthermore the transport of n alkanes with different chain length (142 - 339 Da) is comprehensively quantified not only in pure solvents but also in binary mixtures of isopropanol/toluene, methanol/toluene and methanol/isopropanol. Negative retentions were observed using isopropanol or methanol as pure solvent and n alkanes or linear carboxylic acids as solutes, whereas positive retentions were measured with polyethylene glycol as solute. In contrast, using toluene or n-hexane as solvent, all observed retentions were positive. A significant minimum in retentions was found for all n alkanes with different chain length in the binary mixture of toluene and methanol. Furthermore salt permeation and retention in water/methanol mixtures were investigated. Membrane performance varied depending on the composition ranging from aqueous to methanol solutions. Ion pair formation or ion dissociation correlates with a different salt retention. So, depending on the solvent or solvent mixtures and the solute, there exist considerable differences in the retention behaviour due to different membrane-solvent-solute interactions. This significantly changes flux and retention. Also negative retentions were observed, opening up new possibilities for further applications of organic solvent nanofiltration.

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