Electro-conductive porous materials (membranes) for electrosorption / -desorption of natural organic matter from water

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Mathias Ernst
• Subject Area: Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management
• Term: since 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 262559207

Das Projekt fokussiert auf die grundlegenden Wechselwirkungen von gelösten organischen Wasserinhaltsstoffen (Natural Organic Matter, NOM) in natürlichen Süßwässern mit elektrisch geladenen, porösen Membranoberflächen. Die entstehenden Erkenntnisse können die Entwicklung neuer, elektro-basierter Verfahren in der Trinkwasseraufbereitung voranbringen. Im Projekt werden leitende, poröse Membranen (Mikro- und Ultrafiltation) hergestellt, modifiziert und unter extern angesteuerten elektrischen Potentialen auf ihr NOM Adsorptions- und NOM Desorptionsverhalten in der Dead-End Filtration hin untersucht. Die eingesetzten Membranen bestehen aus unterschiedlichen Polymeren (Polyamid, Polyvinylpyridine, Polyacrynitril). Sie werden funktionalisiert bzw. in einem nachgelagerten Schritt metallbeschichtet, so dass die jeweilige Membranoberfläche (Feed- und Filtratseite) elektrisch leitfähig wird. Die entsprechende Duplex-Beschichtung erlaubt die Kontrolle des Vorzeichens sowie der Ladung und ermöglicht gleichzeitig das rasche Umschalten zwischen anodischen und kathodischen Elektroden-Potentialen. Untersucht werden DOC Sorptionskinetik, Selektivität und spezifische Kohlenstoff-Beladung für unterschiedliche NOM Fraktionen als Funktion der Membranmaterialeigenschaften, der Membrangeometrie, des angelegten Potentials, der vorliegenden Wassermatrix sowie der Betriebsparameter der Filtration. Neben dem NOM-Elektrosorptionsverhalten sowie der Ionenadsorptionskonkurrenz wird das spezifische NOM Desorptionsverhalten in Hinblick auf eine schnelle Membranregeneration während der Rückspülung untersucht. Desorptionsexperimente mit NOM-Standards und realen Süßwasserproben, die u.a. Huminstoffe, Fulvinsäuren sowie natürliche, aquatische NOM Anteile enthalten, werden bei unterschiedlichen Elektrodenpotentialen und Membranrückspülflüssen durchgeführt. Dabei kann die Membran während der Rückspülung durch elektrostatische Kontrolle und ohne den Einsatz von Neutralsalzen regenerieren werden. Parallel zur Charakterisierung der Materialeigenschaften und der laborbasierten Bestimmung der NOM Elektrosorptions- / -desorptionsraten, werden Pilotanlagenversuche für kontinuierliche Messungen durchgeführt. Die in Batch- und langfristigen Konti-Versuchen gewonnen Daten werden analysiert und die zentralen Einflussgrößen gehen in ein Computermodell ein, um auf diese Weise, eine modellbasierte Variation der Prozessrandbedingungen durchführen zu können. Über die theoretischen und experimentellen Arbeiten hinaus, soll das Projekt das Thema „elektrisch leitfähige Membransysteme in der Wasseraufbereitung“ durch den wissenschaftlichen Austausch mit einem Partner aus Übersee voranbringen.

• DFG Programme: Research Grants
• Major Instrumentation: Membranteststand