Model-based and Experimental Analysis of Transient Electrodialysis Processes

Matthias Johannink

doi:10.51202/9783186949035

Zusammenfassung

This thesis is concerned with the integration of a model-based and experimental analysis for the systematic investigation of transient electrodialysis (ED) processes. In this context a mechanistic process model for transient ED systems is developed which is based on a rigorous dynamic description of the underlying ionic transport processes. Important requirements for a systematic model development are elaborated in a systematic manner. This includes the development of a new method for the characterization of partial differential-algebraic equations and an experimental sensitivity analysis of a transient electrodialysis system. The findings can easily be generalized to related electrochemical processes such as fuel cells or batteries. By this means this work provides important results for scientist and engineers in the fields of mechanistic modeling, electromembrane processes and electrochemical systems.

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Bibliographische Angaben

Erscheinungsjahr: 2016
Erscheinungsdatum: 29.09.2016
ISBN-Print: 978-3-18-394903-8
ISBN-Online: 978-3-18-694903-5
Verlag: VDI Verlag, Düsseldorf
Reihe: Verfahrenstechnik
Band: 949
Sprache: Deutsch
Seiten: 177
Produkttyp: Monographie

Inhaltsverzeichnis

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Titelei/Inhaltsverzeichnis Teilzugriff Seiten I - 3 Download Kapitel (PDF)
1. 1. Ion exchange membranes Kein Zugriff
  2. Spacer-filled flow channels Kein Zugriff
  3. Secondary transport effects Kein Zugriff
2. 1. Module and spacer design Kein Zugriff
  2. Transient electrodialysis processes Kein Zugriff
3. 1. Investigation of spacers by CFD methods Kein Zugriff
  2. Modeling of ion exchange membranes Kein Zugriff
  3. Electrodialysis process modeling Kein Zugriff
  4. Modeling ionic mass-transport in a homogenous phase Kein Zugriff
4. Conclusions and scope of this work Kein Zugriff
1. 1. Experimental set-up Kein Zugriff
  2. Batch desalination experiments Kein Zugriff
  3. Current-voltage experiments Kein Zugriff
  4. Degrees of freedom, measurements and performance measures Kein Zugriff
2. Scope of the experimental study Kein Zugriff
3. Current-voltage behavior Kein Zugriff
4. 1. Applied current Kein Zugriff
  2. Volumetric flow rate Kein Zugriff
  3. Comparison of different spacers Kein Zugriff
  4. Discussion Kein Zugriff
5. Operation with transient applied currents Kein Zugriff
6. 1. Desalination of NaCl solution using a pulsed applied current Kein Zugriff
  2. Desalination of NaCl - Na2SO4 solution using a pulsed applied current Kein Zugriff
  3. Discussion Kein Zugriff
7. Conclusions Kein Zugriff
1. Introduction Kein Zugriff
2. 1. Index concepts for DAE systems Kein Zugriff
  2. Index concepts for PDAE systems Kein Zugriff
  3. Comparison of the index concepts for PDAE systems Kein Zugriff
3. 1. Differential index Kein Zugriff
  2. Index analysis Kein Zugriff
  3. Generalization of the index reduction algorithm Kein Zugriff
  4. Systematic procedure for the index analysis and reduction Kein Zugriff
4. 1. Physical interpretation of the reformulated model Kein Zugriff
  2. Identification of consistent initial and boundary conditions Kein Zugriff
5. Conclusions Kein Zugriff
1. 1. Species balance equations and definition of the reference velocity Kein Zugriff
  2. Constitutive equations Kein Zugriff
  3. Momentum balance equation and hydrodynamics Kein Zugriff
  4. Complete mathematical models Kein Zugriff
2. 1. Index with respect to time Kein Zugriff
  2. Index with respect to the spatial coordinates Kein Zugriff
  3. Reformulated low index model Kein Zugriff
3. 1. Reformulation into a reduced system of PDE Kein Zugriff
  2. Initial and boundary conditions Kein Zugriff
4. Conclusions Kein Zugriff
1. 1. General modeling assumptions Kein Zugriff
  2. Spacer-filled flow channels and ion exchange membranes Kein Zugriff
  3. Electrodes and plant periphery Kein Zugriff
  4. Interface models and coupling of model components Kein Zugriff
2. 1. Degrees of freedom and model parameters Kein Zugriff
  2. Implementation Kein Zugriff
3. 1. Dynamics in pulsed-current electrodialysis Kein Zugriff
  2. Discrimination of transport resistances Kein Zugriff
  3. Competitive transport in pulsed current experiments Kein Zugriff
  4. Discussion Kein Zugriff
4. 1. Current-voltage experiments Kein Zugriff
  2. Batch desalination experiments Kein Zugriff
5. Conclusions Kein Zugriff
1. Towards an integrated description of hydrodynamics and ionic mass transport Kein Zugriff
2. 1. Pressure drop experiments Kein Zugriff
  2. Geometric modeling of the spacer and simulation scenario Kein Zugriff
  3. Software and implementation Kein Zugriff
  4. Semi-empirical modeling of pressure drop in spacer-filled channels Kein Zugriff
  5. Work flow for model identification Kein Zugriff
  6. Parameter estimation, identifiability analysis and design of experiments Kein Zugriff
3. 1. Velocity profiles Kein Zugriff
  2. Pressure drop profiles Kein Zugriff
  3. Comparison with experimental data Kein Zugriff
4. 1. Non-woven spacers Kein Zugriff
  2. Woven spacer Kein Zugriff
  3. Predictive capabilities of the identified pressure drop models Kein Zugriff
5. Summary and Discussion Kein Zugriff
1. Summary Kein Zugriff
2. Outlook Kein Zugriff
1. 1. Geometric properties of the lab-scale ED plant Kein Zugriff
  2. 1. Pulsed current Kein Zugriff
    2. Mixture experiments Kein Zugriff
    3. Current-voltage experiments Kein Zugriff
  3. Overview current-voltage experiments Kein Zugriff
  4. Desalination experiments Kein Zugriff
2. 1. Conversion of different reference velocities Kein Zugriff
  2. Conversion of activity coefficients Kein Zugriff
  3. Multi-component density model Kein Zugriff
  4. 1. MS coefficients of ion-ion pairs Kein Zugriff
    2. MS coefficients of ion-water pairs Kein Zugriff
  5. Model parameters Kein Zugriff
3. 1. Geometric parameters of the spacer geometries in the basis data set Kein Zugriff
  2. Parameter estimates for the final friction coefficient model for the non-woven and woven spacer Kein Zugriff
  3. Model candidates for the identification of a generalized pressure drop model Kein Zugriff
Bibliography Kein Zugriff Seiten 161 - 177