Electrochemical investigation and modeling of ion- and water transport through polymer membranes

Abstract

Diffusion ist die konzentrationsausgleichende Bewegung von Teilchen entlang eines Konzentrationsgradienten, auch über Phasengrenzen hinaus. Die Bestimmung von Diffusionskoeffizienten als Maß für die Beweglichkeit der Teilchen ist von großem wissenschaftlichem Interesse. Das gilt für gewollte Diffusion wie beispielsweise im Falle von Trennmembranen in Brennstoffzellen oder bei der Dialyse, als auch für ungewollte Diffusion (Verunreinigungen mit Fremd-Ionen der eben genannten Membranen oder Penetration von Schutzbarrieren). In jedem Fall ist die Diffusion ein Maß für die Performance. Speziell bei der Betrachtung von Ionen, welche aus dissoziierten Salzen entstehen, ist des Weiteren die Permeabilität des für die Dissoziation benötigtem Lösungsmittel mit einzubeziehen. Zur Bestimmung der Parameter in verschiedenen Materialien bedarf es unterschiedlicher Messmethoden.Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer kombinierten Messmethode zur Bestimmung von gekoppelter Ionendiffusion und Wasserpermeabilität in Polymermembranen. Dazu werden Messmethoden zur Bestimmung von Konzentrations-, Volumens- und Membranpotentialänderung in einer miniaturisierten Konzentrationszelle integriert. Die eigentliche Bestimmung der Transportparameter erfolgt dann durch die Anpassung geeigneter Modelle an die Messungen. Zur allgemeinen Beschreibung der gekoppelten Transportvorgänge wird dafür ein System gewöhnlicher Differentialgleichung entwickelt. Des Weiteren wird ein FEM Model in COMSOL Multiphysics® entwickelt, das speziell die Ionenverteilung innerhalb der Membran simuliert. Zur Evaluierung der Messmethode wird eine freistehende Ionenaustauscher Membran mit weitestgehend bekannten Eigenschaften verwendet.Ein Vergleich der Ergebnisse des allgemeinen Models mit anderen Ergebnissen aus der Literatur zeigt eine hohe Übereinstimmung. Die Ergebnisse des FEM Models geben tiefere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen der Ionenverteilung in der Membran und dem von außen messbaren Membranpotential und helfen diese besser zu verstehen.

Diffusion is the concentration balancing motion of particles along a concentration gradient, even beyond phase boundaries. The determination of diffusion coefficients as a measure of particle mobility is of great scientific interest. This applies for intentional diffusion as for example in fuel cell- and dialysis membranes, as well as to unwanted diffusion (impurities in the previously mentioned membranes or penetration of protective barriers). In any case, diffusion is a measure of performance. Especially when considering ions resulting from dissociated salts, the permeability of the solvent required for dissociation must also be taken into account. To determine the parameters in the different materials, different measurement methods are required.This thesis describes the development of a combined measurement method for the determination of coupled ion diffusion and water permeability in polymer membranes. For this purpose, measurement methods for the determination of concentration-, volume- and membrane-potential changes are integrated into a miniaturized concentration cell. The actual determination of the transport parameters is then done by fitting appropriate models to the measurements. For the general description of the coupled transport processes, a system of ordinary differential equations is developed. Furthermore, a FEM model is developed in COMSOL Multiphysics®, which specifically simulates the ion distribution within themembrane and the resulting electrical fields. A freestanding ion exchange membrane with largely known properties is then used to evaluate the new combined measurement setup.It is then shown, that the values for the transport properties determined with the new developed, combined method for the general description agree with literature values. The FEM model further helps to understand the transport mechanisms inside the membrane, especially the correlation between ion distribution and membrane potential.