Συγκριτική μελέτη της ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης και υπερδιήθησης από οργανικές ενώσεις

Abstract

In this dissertation a comparative study between reverse osmosis (ro) and ultrafiltration (uf) membrane fouling is conducted with model organic compounds (humic acids, sodium alginate and colloidal iron). The ultimate scope of this study is to contribute to the development of new techniques or to the improvement of existing techniques for the prediction of the ro membrane fouling based on simple measurements with uf membranes. From the experimental data, the specific cake resistance, α, of the cake layer is calculated for both ro and uf processes. The main factors that appear to affect membrane fouling in the two processes are: a) the applied pressure b) the incomplete rejection of organic foulants in uf membranes c) shear flow in ro and d) the enhanced concentration polarization due to cake formation in ro membranes. The results revealed a strong correlation between applied pressure and specific cake resistance of the cake layer, which is typical of the cake compressibility. Specifically, the results of ultrafiltration experiments revealed a power law correlation between pressure and cake resistance for all model compounds. In addition, specific cake resistance values of polysaccharide (sodium alginate) deposits was higher compared with humic acids values, due to formation of strong complexes in the presence of calcium ions, indicating greater membrane fouling tendency. Furthermore, no synergistic effect was observed in the case of humic acids and sodium alginate mixtures. The effect of foulant concentration on membrane fouling (using concentration values generally higher than those found in nature) was related with a linear relationship, which is considered that can be extrapolated to lower and more realistic foulants concentrations. Furthermore, the increase of feed water salinity in the range of 500-5000 mg/l nacl resulted in increased fouling coefficients for all fouling species. By comparing uf and ro membrane fouling in the case of sodium alginate and its mixture with humic acid, it was observed that specific cake resistance values of ro and uf deposits showed a satisfactory agreement. More specifically, it was observed that specific resistance values were related with the pressure drop across the cake, ΔΡc, with the same power law correlation. This finding is considered to be the basis for the development a methodology for the prediction of ro fouling, which it will be based on a limited number of relative easily conducted uf experiments.

Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη της ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης (reverse osmosis, ro) και υπερδιήθησης (ultrafiltration, uf) από πρότυπες οργανικές ενώσεις (χουμικά οξέα, αλγινικό νάτριο και κολλοειδή σίδηρο). Σκοπός της εργασίας είναι η συμβολή στην ανάπτυξη νέας μεθοδολογίας η στην βελτίωση των υπαρχουσών τεχνικών για την πρόβλεψη της οργανικής και της κολλοειδούς ρύπανσης μεμβρανών ro, με βάση τις μετρήσεις με μεμβράνες uf. Από τα πειραματικά δεδομένα υπολογίστηκε η ειδική αντίσταση, α, της στοιβάδας των επικαθήσεων που δημιουργείται στις ro και uf μεμβράνες. Οι κύριοι παράγοντες που φαίνεται ότι επηρεάζουν τη ρύπανση στις δυο διεργασίες είναι: η πίεση, η συγκράτηση των συστατικών από τις μεμβράνες, η διάτμηση λόγω ροής και η ενίσχυση της πόλωσης συγκέντρωσης λόγω της δημιουργίας στοιβάδας επικαθήσεων. Οι μετρήσεις ανέδειξαν τον ισχυρό συσχετισμό μεταξύ της ειδικής αντίστασης των στοιβάδων που δημιουργούνται και της επιβαλλόμενης πίεσης, που είναι ενδεικτικός της συμπιεστότητας της στοιβάδας. Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα των πειραμάτων υπερδιήθησης έδειξαν έναν εκθετικό συσχετισμό (power law correlation) μεταξύ της ειδικής αντίστασης των επικαθήσεων και της εφαρμοζόμενης πίεσης για όλους τους πρότυπους ρυπαντές. Οι τιμές της ειδικής αντίστασης που υπολογίστηκαν για τους οργανικούς ρυπαντές δείχνουν ότι ο πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου, δημιουργώντας σύμπλοκα με τα ιόντα ασβεστίου, εμφανίζει υψηλότερες τιμές σε σχέση με τα χουμικά οξέα, υποδηλώνοντας ότι προκαλεί εντονότερη ρύπανση σε σχέση με τα χουμικά οξέα. Οι τιμές της ειδικής αντίστασης στα μίγματα των χουμικών οξέων και του αλγινικού νατρίου, επιβεβαιώνουν την απουσία φαινομένων συνέργειας μεταξύ των δύο οργανικών ενώσεων. Η μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης των ρυπαντών στην τιμή του συντελεστή ρύπανσης αποκάλυψε μια γραμμική σχέση μεταξύ του ρυθμού ρύπανσης των μεμβρανών και της συγκέντρωσης. Παράλληλα, η αύξηση της αλατότητας του νερού τροφοδοσίας οδήγησε σε αύξηση της ρύπανσης. Η σύγκριση της ρύπανσης των μεμβρανών uf και ro έδειξε ότι οι τιμές της ειδικής αντίστασης στις διεργασίες αυτές για τον πολυσακχαρίτη του αλγινικού νατρίου και των μιγμάτων του με τα χουμικά οξέα παρουσιάζουν ικανοποιητική συμφωνία. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε ότι οι τιμές των ειδικών τους αντιστάσεων από πειράματα υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης εμφανίζουν την ίδια εκθετική σχέση ως προς την πτώση πίεσης, ΔΡc διάμεσου της στοιβάδας των επικαθήσεων.