Brackish water desalination via stimuli-responsive polymeric hydrogels
Although current water desalination technologies are mature enough and advanced, the shortage of freshwater is still considered as one of the most pressing global issues. Therefore, there is a strong incentive to explore and investigate new potential methods with low energy consumption. It is well-known that polymer hydrogel network has the ability to absorb water via swelling. In the case of polyelectrolyte hydrogels, the charges localized on the polymer chains, which mainly drive the swelling pressure inside the hydrogel, can also separate added salt via charge-based selectivity (Donnan exclusion). When combining this material with a temperature-sensitive polymer, the heat generated by solar energy can trigger the desorption process via conformational change of polymer chains. Hence, hydrogels designed from both materials, polyelectrolyte and thermo-responsive polymer can reduce the salinity of water, such as brackish water by means of reversible thermally-induced absorption and desorption desalination processes. In addition, the desorption process can also be achieved based solely on a polyelectrolyte hydrogel system by altering the ionization of charges within the hydrogel via pH.
In this thesis, hydrogel-based water desalination process were developed using acrylic acid (AAc)/sodium acrylate (SA)-based polyelectrolytes as the charge-based separation function, alone or with a combination of N-isopropylacrylamide (NIPAAm) as thermo-responsive comonomer. In the latter case, a series of chemically cross-linked polymeric hydrogels were synthesized via either free radical-initiated copolymerization or reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization, thus realizing different macromolecular architecture. According to the nature of hydrogels, the reversible sorption/desorption state were triggered by either chemical stimulus (pH), or physical stimulus (heat) as the thermo-responsive polymer introduced into the hydrogels.
In detail, the effect of hydrogel composition as well as the influence of the macromolecular architecture on the swelling/deswelling behavior for the synthesized hydrogels were studied. For this, their properties including their responses to external stimuli were investigated, and their ability to desalinate brackish water as well as the effciency of such desalination process were evaluated. Generally, the results demonstrated correlations between macromolecular architecture of the network structure and their performance in the proposed desalination process, such as salt rejection and desalination capacity.
Moreover, the potential of the best performance materials for applications was also discussed.
Obwohl die aktuellen Technologien zur Wasserentsalzung hinreichend entwickelt
und fortgeschritten sind, wird der Süßwassermangel immer noch als eines der
nachdrücklichsten globalen Probleme angesehen. Daher besteht ein starker Anlass, neue potenzielle Methoden mit geringem Energieverbrauch zu erforschen und zu untersuchen. Dazu gehören polymere Hydrogele, die bekanntlichWasser durch Quellung reversibel aufnehmen können. Im Falle von Polyelektrolythydrogelen können die an den Polymerketten lokalisierten Ladungen, die hauptsächlich den Quelldruck innerhalb
des Hydrogels steuern, auch hinzugefügtes Salz durch ladungsbasierte Selektivität trennen (Donnan-Ausschluss). Durch die Kombination eines Polyelektrolythydrogels mit einem Polymer, dessen Quellung temperaturempfindlich eingestellt werden kann, lässt sich der Desorptionsprozess durch Solarenergie erzeugte Wärme hervorrufen.
Dieser wird durch eine Konformations¨anderung der Polymerketten verursacht. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Salzgehalt von Wasser, wie z.B. Seewasser, mittels eines reversiblen thermisch-induzierten Absorptions- und Desorptions-Entsalzungsverfahrens zu reduzieren. Zusätzlich kann der Desorptionsprozess auch unter Verwendung eines Systems nur aus Polyelektrolyt-Hydrogel erreicht werden, indem die Ionisierung von Ladungen innerhalb des Hydrogels über die Änderungen des pH-Wertes beeinflusst wird.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein hydrogelbasierter Wasserentsalzungsprozess entwickelt, wobei Acrylsäure (AAc)/Natriumacrylat (SA) als Polyelektrolyt zur ladungsbasierten Trennung diente. Dieses Material wurde sowohl einzeln als auch in einer Kombination mit N-Isopropylacrylamid (NIPAAm) als thermoresponsivem Comonomer verwendet. Im letzteren Fall wurde eine Reihe von chemisch vernetzten, polymeren Hydrogelen synthetisiert, wobei unterschiedliche makromolekulare Architekturen realisiert wurden. Die Synthesen wurden entweder mittels der radikalisch initiierten Copolymerisation oder der sogenannten RAFT-Polymerisation (reversible addition-fragmentation chain transfer) durchgeführt. Entsprechend der Natur der Hydrogele wurde die reversible Absorption/Desorption entweder durch einen chemischen
Stimulus (pH) oder im Falle des wärmesensitiven Polymers durch einen physikalischen Stimulus (Wärme) ausgelöst. Im Detail wurde der Einfluss der synthetisierten Hydrogele unterschiedlicher Zusammensetzung
sowie der Einfluss der makromolekularen Architektur auf das Quell- und
Entquellverhalten untersucht. Ihre Eigenschaften einschließlich ihrer Reaktion auf äußere Reize und ihre Fähigkeit, Seewasser zu entsalzen, sowie die Effienz eines solchen Entsalzungsverfahrens konnten auf Basis der erzielten Ergebnisse bewertet werden. Im Allgemeinen zeigten die Ergebnisse eine Korrelation zwischen der makromolekularen Architektur der Netzwerkstruktur und ihrer Leistung bezüglich der vorgeschlagenen Entsalzungsverfahren, wie Salzabstoßungs- und Entsalzungskapazität. Darüber hinaus wurde im Hinblick auf mögliche Anwendungen das Potenzial des Materials diskutiert,welches sich als leistungsfähigstes herausstellte.