Elektrodialytische Entsalzung bei hohen Strömen - Begünstigung der Elektrokonvektion durch synergetische Nutzung von Spacern und Modifizierung der Membranoberfläche

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Wessling
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518118073

Die Elektrodialyse ist ein wichtiges Membranverfahren zur Wasserentsalzung und Herstellung von Trink- oder Nutzwasser. In diesem Verfahren erzeugt entsalzte und konzentrierte Ströme in alternierenden Elektrolytkanälen, die durch Anionen- und Kationenaustauschermembranen getrennt sind. Im entsalzenden Kanal begrenzen ausgeprägte Konzentrationsgradienten in der laminaren Grenzschicht den Ionentransport, wenn die so genannte begrenzende Stromdichte erreicht ist. Um die erreichbare Stromdichte bei einem bestimmten angelegten Potential zu maximieren, wird versucht auftretende Widerstände zu minimieren, indem man die lokale Turbulenz erhöht und die Diffusionsgrenzschicht depolarisiert. In dem derzeit laufenden Projekt haben wir neue und tiefgreifende Einblicke in das Zusammenspiel von Elektrokonvektion, durch Spacer induzierte Konvektion und Wasserspaltung bei hohen Stromdichten erhalten. Die Kombination aus Makro- und Mikroskala Experimente erlaubten Einsicht in die komplizierten Zusammenhänge der Wechselwirkung zwischen erzwungener Durchströmung und der durch Raumladungen induzierten Konvektion, der so genannten Elektrokonvektion (EC). Bei dem zusätzlichen Einsatz von Spacern wurden zwei wesentliche Herausforderungen deutlich: (1) Eine Erhöhung des Widerstands aufgrund der fehlenden Ionenleitfähigkeit der Spacer; (2) Eine gehemmte Durchmischung durch Elektrokonvektion resultierend aus der erzwungene Querströmung entlang der Membranoberfläche. Das hier beschriebene Folgeprojekt zielt darauf ab, diese Herausforderungen mit der Entwicklung von leitfähigen Spacern und maßgeschneiderten Membranoberflächen zu überwinden. Dies ist der nächste Schritt vom besseren Verständnis (erlangt während des laufenden Projekts) zur vollständigen Kontrolle der Elektrokonvektion in der laminaren Grenzschicht. Wir erwarten die vollständige Nutzung der Elektrokonvektion über ein simulationsgestütztes, aufeinander abgestimmtes Design von Spacern und Membranen zu erreichen. Der Ansatz zur Überwindung des erhöhten Widerstands durch den Einsatz von Spacern besteht darin, zwei verschiedene Arten von ionenleitende Spacern herzustellen: Diese werden entweder (i) durch Beschichtung der Spacer mit Ionen-leitendem Material oder (ii) durch die Herstellung von neuartigen, 3D-gedruckten und porösen Spacern fabriziert. Der zweite Ansatz zur Durchmischung der Diffusionsgrenzschicht ist der Einsatz von 2D-gedruckte oder profilierte Membranoberflächen. Diese Oberflächenmodifikationen verstärken die Entwicklung der Elektrokonvektion in der Grenzschicht und erlauben deren Kontrolle. Unsere Hypothese ist, dass eine die Synergie beider Ansätze den Beitrag der Elektrokonvektion bei realistischen hydrodynamischen Bedingungen maximiert. Aus den Erkenntnissen des Projektes werden wir detaillierten Konstruktionsrichtlinien für die optimale Elektrolytdurchmischung bei dem niedrigsten Zellwiderstand und gleichzeitiger Unterdrückung von Wasserspaltung ableiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen