Modellierung der photokatalytischen Wasseraufbereitung mit TiO₂-beschichteten keramischen Membranen

Die wachsende Weltbevölkerung und eine globale Erhöhung des Lebensstandards führt zu zunehmender Wasserbelastung bei wachsendem Frischwasserbedarf mit steigenden Qualitätsanspruch. Die damit verbundenen verschärften Schadstoffgrenzwerte erfordern neue Wasseraufbereitungsmethoden.\\ Photokatalytische Wasseraufbereitung als oxidatives Verfahren benötigt weitergehende ingenieurtechnische Entwicklung, um das Potential des Prozesses nutzbar zu machen. Die physikalische und chemische Grundlagen des Verfahrens sind in der Literatur beschrieben und wurden in dieser Arbeit zusammen gefasst. ... mehrEbenfalls wurden verschiedene Möglichkeiten der technischen Umsetzung verglichen, mit dem Ergebnis, dass die Anwendung einer beschichteten Membran im einmaligen Durchfluss Ziel dieser Arbeit wurde.\\
Keramische Trägermembranen wurden mittels \ac{ALD} mit \ch{TiO2} in verschiedenen Dicken beschichtet und kalziniert. Die hergestellten \ac{PKM} wurden hinsichtlich der für die Anwendung wichtigsten Merkmale (Morphologie, Beschichtungsdicke, Eindringtiefe der Beschichtung, Kristallographie, Licht\-absorption, Oberflächenladung und Permeabilität) charakterisiert.\\
Zum Testen der hergestellten Membranen im Abbau einer Modell-Verunreinigung \ac{MB} im kontinuierlichen einmaligen Durchfluss wurde eine neu entworfenen photokatalytische Membran-Filtrations-Anlage aufgebaut. Dabei wurde der Einfluss der Trägermembranen, Beschichtungsdicke, des Volumenstroms, der \ac{MB}-Konzentration und Lichtintensität, sowie die Stabilität der Membran untersucht. Der experimentelle Teil der Doktorarbeit wurden im Journal of Membrane Science veröffentlicht \cite{Berger2020}.\\
Die Ergebnisse des experimentellen Teils der Arbeit wurden als Grundlage für eine Modellierung des Prozesses genutzt. Diese basierte auf Stoffbilanzen und einem hierfür erweiterten Kinetikansatz zweiter Ordnung, mit dem Einfluss der Konzentrationen der Verunreinigung und der im Prozess auftretenden \ac{ROS}. Die zuvor beschriebenen Versuchsparameter des experimentellen Teils konnten so abgebildet und drei Konstanten des Modells bestimmt werden. Durch die Modellierung konnten die Konzentrationsverläufe der Verunreinigung und der \ac{ROS} innerhalb der Membran berechnet werden. Ebenfalls kann mit Hilfe des Modells das Verbesserungspotential der Membran, so wie der Vergleich des einmaligen mit dem mehrmaligen Durchfluss durch die Membran abgeschätzt werden. Zusätzlich bietet das Modell die Möglichkeit der Extrapolation der experimentellen Daten und die Abschätzung des Einflusses von Fouling auf den Prozess.\\

Das Ziel dieser Doktorarbeit weitere ingenieurtechnischen Erkenntnisse zur Nutzbarkeit der photokatalytischen Wasseraufbereitung zu liefern wurde erreicht. Photokatalytische Membranen können eine effiziente Methode zur Wasseraufbereitung bieten.\\
In dieser Arbeit wurden erfolgreich \ac{PKM} hergestellt, deren Aktivität nachgewiesen und in einem neu entwickelten Modell abgebildet.

The growing world population and the global rise of the standard of living lead to increasing water pollution while the rising demand for freshwater with even stricter pollutant regulations require new treatment methods.\\
Oxidative processes such as photocatalytic water treatment require further engineering development to exploit their potential. The physical and chemical fundamentals of the processes are described in the literature and have been summarized in this thesis. Various options for technical implementation were compared, with the result that the application of a coated membrane in a single flow-through was investigated in this work.\\
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Ceramic support membranes have been coated with \ch{TiO2} in different thicknesses using atomic layer deposition (ALD) and have been calcined. The fabricated photocatalytic membranes were characterized in terms of their most relevant features for the application (morphology, coating thickness, coating penetration depth, crystallography, light absorption, surface charge, and permeability).\\
The prepared membranes were tested for the degradation of the "model pollutant" methylene blue (MB), in continuous single-pass flow-through experiments. For that, a newly designed photocatalytic membrane filtration system was built. The influence of the support membranes, coating thickness, volume flow rate, MB concentration, and light intensity, as well as the stability of the membrane, were investigated. The experimental part of the thesis was published in the Journal of Membrane Science \cite{Berger2020}.\\
The results of the experimental part were used as a basis for modeling the process. The model was based on mass balances and a specifically extended second-order kinetic approach with the influence of the concentrations of the pollutant and the reactive oxygen species (ROS) occurring in the process. The previously described test parameters of the experimental part could be mapped and three constants of the model determined. The model allows the concentration curves of the impurities and the ROS within the membrane to be calculated. The model can also be used to estimate the improvement potential of the membrane, as well as the comparison of the single flow-through with the circulation through the membrane. In addition, the model offers the possibility to extrapolate the experimental data and to assess the influence of fouling on the process.\\

The aim of this Ph.D. thesis, to generate engineering development for the usability of photocatalytic water treatment was achieved. Photocatalytic membranes offer an efficient method to remove water pollutants.\\
In this work, photocatalytic membranes were successfully prepared and their activity was proven. The single-pass flow through the photocatalytic membrane was simulated successfully in a newly developed model.