Ionenaustauschmembranen sind Schlüsselkomponenten für verschiedene elektrochemische Technologien in der Wasseraufbereitung und für Energiespeicherung, z.B. Elektrodialyse, Membranelektrolyse und Flußbatterien. Solche Membranen zeichnen sich durch eine hohe Konzentration an geladenen Gruppen aus, die entweder kationisch (positiv) oder anionisch (negativ) geladen sein können. Die Funktion einer Ionenaustauschmembran besteht darin, den Transport von Gegenionen zu fördern, während der Wasser- und Koionenverlust eingeschränkt wird.
Die Effizienz von Kationenaustauschmembranen wird diesen ungewollten Transport von Koionen und Wasser eingeschränkt. Der Transport von Hydroxidionen (OH−) über Kationenaustauschmembranen ist von besonderem Interesse. Je nach Anwendung ist die Kationenaustauschmembran entweder so konzipiert, daß sie den Hydroxidtransport selektiv erleichtert, oder sie minimiert den Hydroxidverlust. Bessere Ionenaustauschmembranen müssen daher solche zusätzlichen Funktionalitäten unterstützen.
Forscher der Universität Wageningen haben den Ionenaustausch und den Wassertransport über beschichtete und unbeschichtete Kationenaustauschmembranen charakterisiert. Ihre Ergebnisse publizierten die Wissenschaftler im Fachblatt Journal of Membrane Science. I ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler die Beschichtung von Kationenaustauschmembranen mit Polyelektrolyten bestehend aus Polyallylamin und Polystyrolsulfonsäure.
Die Forscher beschichteten eine Seite von kommerziellen Kationenaustauschmembranen mit Doppelschichten dieser beiden Polymere. Anschließend untersuchten sie den Transport von Ionen und Wasser für Diffusionsdialyse und Elektrodialyse. Bei Diffusionsdialyse handelt es sich um passiven Ionentransport, der durch Konzentrationsgradienten angetrieben wird. Dagegen findet bei der Elektrodialyse der Ionentransport aktiv statt und wird von einem angelegtem Strom angetrieben.
Die Beschichtungen sollten hinsichtlich ihrer Selektivität für monovalenten und bivalenten Ionen bewertet werden. Diese Selektivität beeinflußt den Hydroxidtransport und die Wasserpermeabilität. Beides sind Schlüsselfaktoren für die Effizienz der bipolaren Membranelektrodialyse, bei der die mit salzhaltigen Lösungen mit mehrwertigen Kationen wie Magnesium und Kalzium behandelt werden.
Der Transport von Magnesium und Kalziumwar durch die Beschichtungen erheblich eingeschränkt, während der Transport von Natrium weitgehend unbeeinflußt blieb. Diese Selektivität ergab sich aus dem Donnan-Ausschlußmechanismus und Unterschieden in den Hydrathüllen. Mehrwertige Ionen haben im Bereich der Kationenaustauschmembran einen höheren Widerstand.
Dabei war Orientierung ist entscheidend. Die Ausrichtung der Beschichtung beeinflußte die Leistung. In Richtung des mehrwertigen Ionenströmungsbereichs erhöhte sich der Widerstand, was den Fluß von Magneiumionen verringerte. Diese Erkenntnis ist entscheidend für das Design von Apparaten zur bipolaren Membranelektrodialyse.
Überraschenderweise reduzierten Beschichtungen die Wasserkreuzung nicht. Die dichte Schicht blieb der Engpaß. Der Hydroxidfluß war in beschichteten Membranen, die extremen pH-Werten ausgesetzt waren, etwas höher. Das lag wahrscheinlich an strukturellen Veränderungen während des Beschichtungsvrogangs.
Die Kombination einer Kationenaustauschmembran mit niedrigem Wassergehalt mit einer Beschichtung könnte die direkte Verwendung von unbehandelten Salzlösungen in der bipolaren Membranelektrodialyse ermöglichen. Dodurch würden die Vorbehandlungskosten gesenkt und die Nachhaltigkeit würde verbessert. Die Fuji CEM-12 erwies sich als vielvesprechender Kandidat für zukünftige Designs mit Beschichtungen.
Die Diffusion von Salzen über unbeschichtete Kationenaustauschmembranen wurde hauptsächlich durch den Aniontyp, wie z.B. Chlorid, Sulfat, oder Hydroxid bestimmt. Außerdem hatten die Membraneigenschaften, einschließlich des Wassergehalts der Membran und der ionischen Ladungsdichte einen großen Einfluß. Die ionische Ladungsdichte bestimmte die Anionenverteilung innerhalb der Kationenaustauschmembranen.
Die Forscher hatten verschiedene kommerzielle Kationenaustauschmembranen auf einer Seite mehrfach mit Polyelektrolyten beschichtet. Bei unbeschichteten Kationenaustauschmembranen korrelierte die Wasserdurchlässigkeit gut mit dem ionischen Widerstand der Membran. Der Grund war die Abhängigkeit beider Parameter vom Wassergehalt der Membran. Darüber hinaus stieg die Durchlässigkeit für Koionen mit zunehmendem Wasservolumenanteil in der Membran.
Der osmotischen Wassertransport der Kationenaustauschmembranen wurde durch die Mehrfachaschichten aus Polyallylamin und Polystyrolsulfonsäure nicht beeinflußt. Die Forscher empfahlen, Kationenaustauschmembranen mit niedrigem Wassergehalt einseitig zu beschichten, um den Transport von Hydroxiden und problematischen multivalenten Kationen zu minimieren.
Diese Arbeit zeigt, daß intelligente Oberflächenbearbeitung mittels Polyelektrolytschichten die Funktionalität konventioneller Membranen ohne wesentliche Kompromisse erhöhen kann. Während der Wassertransport eine Herausforderung bleibt, ist die Fähigkeit, mehrwertige Ionen zu blockieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit für Natriumionen aufrechtzuerhalten, ein großer Schritt in Richtung effizienterer und kostengünstigerer Dialysesysteme.
Bei Frontis Energy sind wir gespannt auf den zukünftigen Einsatz von mehrfachbeschteten Membranen im industriellen Maßstab.
Elozeiri et al. 2026, Water and co-ion transport across ion-exchange membranes coated with PAH/PSS polyelectrolyte multilayer in electrodialysis and diffusion dialysis, Journal of Membrane Science,741, 125072, DOI: 10.1016/j.memsci.2025.125072
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