Raman Microspectroscopy for in-situ Measurement of Concentration Polarization in Nanofiltration
Creators: name: Jung, Oliver
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: concentration polarization
nanofiltration
Raman spectroscopy

description: Konzentrationspolarisation (CP) beschreibt ein Phänomen des Stofftransports gelöster Teilchen an der Membranoberfläche druckbetriebener Membrananlagen. Die sich bildende Grenzschicht hat eine Dicke in der Größenordnung von Mikrometern. Daher ist CP experimentell nur schwer zugänglich, weshalb das Phänomen in der allgemeinen Forschung meist mit indirekten Methoden untersucht wird. Diese Arbeit verfolgt jedoch einen direkten Ansatz und stellt ein neues Messkonzept für die non-invasive Untersuchung der CP in-situ vor. Mittels Raman-Mikrospektroskopie (RM) wurde die Konzentrationspolarisationsgrenzschicht (CPL) von Sulfat im Labor in-situ gemessen. Dafür wurde eigens eine Nanofiltrations-(NF)-Flachkanalzelle entwickelt, die es erlaubt die CPL in einer Umgebung zu messen, welche repräsentativ für in der Praxis verwendete Wickelmodule ist (Kanalhöhe 0.7 mm, ausstattbar mit kommerziellen Spacern). Ziel dieser Arbeit ist es, RM als neue Messtechnik für die ortsaufgelöste Untersuchung von Konzentrationsgradienten in der NF und Umkehrosmose (RO) vorzustellen. Die NF-Membrananlage wurde mit einer Modelllösung (Magnesiumsulfat gelöst in demineralisiertem Wasser) bei einem konstanten Systemdruck von 10 bar betrieben. Übliche Messparameter zur Bestimmung der Filtrationsleistung, u.a. Ausbeute, Leitfähigkeit im Permeat etc., wurden aufgezeichnet. Der Membranrückhalt betrug mindestens 96%. Konzentrationsprofile wurden mit und ohne Spacer für Sulfatkonzentrationen von 10 und 20 g∙L-1 im Zulauf an mehreren Positionen entlang des Membrankanals gemessen. Die Strömungsgeschwindigkeit wurde im Bereich 0,004 bis 0,2 m∙s-1 variiert, wodurch eine Ausbeute zwischen 0.5 und 31% erreicht wurde. Es wurden sowohl 1D-Tiefenprofile als auch 3D-Scans durchgeführt. Die Messergebnisse zeigten übereinstimmend, dass eine höhere Ausbeute zu einer Konzentrationserhöhung an der Membranoberfläche führt. Zudem wurde bei Strömungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung mm∙s-1, ein Einfluss der Membran-orientierung beobachtet. Filtration entgegen der Schwerkraft hatte eine höhere Ausbeute und Permeatqualität zur Folge. Die RM Messungen zeigten, dass dafür ein verbesserter Stofftransport an der Membranoberfläche durch natürliche Konvektion (Rayleigh-Taylor-Instabilität, RTI) verantwortlich ist. Damit wurde hierin auch erstmals RTI in einem NF-System in-situ gemessen. Bei den RM Messungen mit Spacer zeigte sich bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine charakteristische Konzentrationsverteilung. Der Vergleich mit simulierten Strömungsprofilen in der Fachliteratur zeigte eine große Ähnlichkeit zwischen Simulations- und Messergebnissen. Inwieweit RM auch auf die Untersuchung komplexer Foulingphänomene in der Membran-filtration angewendet werden kann, wurde anhand von Biofouling untersucht. Dazu wurde die NF-Anlage mit einer Nährlösung betrieben, welcher Kulturen von Bacillus subtilis zugesetzt wurden. Ziel war es, den Einfluss eines Biofilms an der Membranoberfläche auf die CPL zu untersuchen. Zur Analyse des Biofilms wurde die optische Kohärenztomographie (OCT) verwendet. Dabei wurde festgestellt, dass die mechanischen Eigenschaften des Biofilms mit den Betriebsparametern der Membranfiltration zusammenhängen. Insbesondere führten Änderungen des Permeatflusses zu Änderungen der Biofilmdicke durch Kompression und Relaxation. Es wurden Konzentrationsprofile für vier Biofilme unterschiedlicher Dicke im Bereich von 20 bis 100 µm gemessen. Die Ergebnisse bestätigten, dass Biofilme zu einer Erhöhung der Salzkonzentration an der Membranoberfläche führen und damit weitere Foulingtypen, insbesondere Scaling, gefördert werden. Die Möglichkeiten und Schwierigkeiten der Messmethode werden durchgängig kritisch diskutiert. Sphärische Aberration aufgrund der Lichtbrechung beim Durchgang durch verschiedene Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes stellt eine der größten Herausforderungen für das Messprinzip dar. Sie führt zu Verlust von Signalintensität und hat eine Verminderung der Tiefenschärfe zur Folge. Komplexe Strömungsfelder, welche eine Schichtung von Salzlösung unterschiedlicher Brechkraft zur Folge haben, führen zu einer Unterbewertung der Salzkonzentration an der Membranoberfläche. Die beobachtete Komprimierbarkeit der Biofilme stellt eine weitere Problematik für die Messmethodik dar und hat bei größeren Filmdicken eine deutliche Überbewertung der Salzkonzentration an der Membranoberfläche zur Folge. In dieser Arbeit wurden Konzentrationsprofile in der Grenzschicht über einer NF Membran direkt, non-invasiv und ortsaufgelöst gemessen. Das vorgeschlagene Messkonzept ist praktisch nutzbar, benutzerfreundlich und erlaubt darüber hinaus die Nutzung von Spacern, sowie die Untersuchung komplexer Foulingphänomene.