Universität zu Köln

Polyelektrolyt-Multischichtmembranen für Pervaporation, Dialyse, Nanofiltration und Reversosmose

Toutianoush, Ali (2003) Polyelektrolyt-Multischichtmembranen für Pervaporation, Dialyse, Nanofiltration und Reversosmose. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Eine gute Membran zeichnet sich durch eine hohe Flußrate und gute Trenneigen-schaften aus. Diese Eigenschaften können bei der Herstellung sog. Komposit-membranen, die aus einer sehr dünnen, dichten Trennschicht und einer dicken, porösen Trägermembran aufgebaut sind, kombiniert werden. In dieser Arbeit wurden die Membranen mit Hilfe der Schicht-für-Schicht-Absorptionstechnik hergestellt, d.h. durch alternierende sequentielle Adsorption von kationischen und anionischen Polyelek-trolyten an einer porösen PAN/PET-Membran. Es wurden hochgeladene Polyelektrolyte wie Poly(ethylenimin) und Poly(vinylamin) als kationische und Poly(vinylsulfonat), Poly-(vinylsulfat) und Poly(acrylat) als anionische Polyelektrolyte verwendet. Die sequentielle Adsorption der entgegengesetzt geladenen Polyelektolyte führt zur Bildung einer dichten nanoporösen Netzwerkstruktur des Polyelektrolyt-Komplexes. Durch die Untersuchung der Alkohol/Wasser-Trennung unter Pervaporationsbedin-gungen konnte gezeigt werden, das die Membranen in hohem Masse durchlässig für Wasser und kaum durchlässig für Alkohole sind. Je weniger hydrophil die Verbindung ist, desto geringer ist auch die Permeation durch die Membran. Es wurde gezeigt, daß t-Butanol/Wasser-Gemische effizienter getrennt werden als Propanol/Wasser- oder Ethanol/Wasser-Gemische. Feed-Lösungen mit einem Wassergehalt von mehr als 3 % ergeben immer ein Permeat mit einem Wassergehalt von mindestens 99.9 %. Aufgrund der alternierenden Abfolge von kationischen und anionischen Schichten weist die Polyelektrolyt-Multischicht-Membran einen multi-bipolaren Charakter auf. Als Folge hiervon erfahren die durchdringenden Ionen in wäßriger Lösung eine starke Donnan-Abstoßung bei gleichartig geladenen Schichten, wobei diejenigen Ionen mit der größten Ladungsdichte auch die größte Abstoßung erfahren. Hieraus resultiert die große Selektivität, die man beispielsweise beim Transport von Na+ und Mg2+ oder Cl- und SO42- beobachtet. Der druckgetriebene Transport von Ionen unter Bedingungen, die der Nanofiltration oder der Reversosmose entsprechen, wurde ebenfalls untersucht. Bei einem geringen Druck von 5 bar weisen die Membranen einen Rückhalt von 85% für NaCl und etwa 90 % für Natriumsulfat auf. Mit zunehmenden Druck steigt auch der Rückhalt bis 40 bar auf Werte von 93,5 bzw. 98.5 % für die beiden Salze. Magnesium-sulfat und �chlorid werden unabhängig vom angewendetem Druck vollständig zurück-gehalten. Daher sind diese Membranen besonders geeignet für Anwendungen im Bereich der Wasserenthärtung und Wasserentsalzung.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    A good membrane is characterized by a high flux and a good separation capability. Either property can be combined by the preparation of so-called composite membranes consisting of a very thin dense separation layer and a thick, highly porous supporting membrane. In this work the membranes were prepared by the layer-by-layer technique, i.e. by alternating sequential adsorption of cationic and anionic polyelectrolytes on a porous PAN/PET membrane. Highly charged polyelectrolytes were used such as Poly(ethylenimine) and poly(vinylamine) as cationic polyelectrolytes, and poly(vinyl sulfonate), poly(vinylsulfate) and poly(acrylate) as anionic polyelectrolytes. The sequential adsorption of the oppositely charged polyelectrolytes results in the formation of a dense, nanoporous network structure of the corresponding polyelectrolyte complex. Studying alcohol/water separation under pervaporation conditions, it is demonstrated that the membranes are highly permeable for water molecules, and only little permeable for alcohol molecules. The less hydrophilic the compound, the lower the permeability across the membrane. It is found that tert-butanol/water mixtures are more efficiently separated than propanol/water or ethanol/water mixtures. For feed com-positions with more than 3 wt.% water, the water concentration in the permeate is always 99.9 wt.% or higher. Due to the alternating sequence of cationic and anionic layers, the polyelectrolyte multilayer membranes exhibit a multi-bipolar character. As a consequence, permeating ions in aqueous solution receive a strong Donnan rejection at equally charged layers, the rejection being strongest for the ions of highest charge density. As a consequence, high selectivities in the transport of Na+ and Mg2+, or Cl- and SO42- ions are observed, for example. Pressure-driven transport of ions, i.e. under nanofiltration- or reverse osmosis conditions was also studied. At low pressure of 5 bar the membranes exhibit a rejection of 85 % for sodium chloride and about 90 % for sodium sulfate. With increasing pressure the ion rejection increases until at 40 bar 93.5 and 98.5 % are reached for the two salts, respectively. Magnesium chloride and sulfate are completely rejected independent from the applied pressure. Thus the membranes are well suited for water softening and desalination applications.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Toutianoush, Alia.toutianoush@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-12062
    Subjects: Chemistry and allied sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Polyelektrolyt , Multischichten , Membran , Pervaporation , ReversosmoseGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Physikalische Chemie
    Language: German
    Date: 2003
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 09 July 2003
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 22 Jul 2004 10:48:28
    Referee
    NameAcademic Title
    Tieke, BerndProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1206

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