Membrane technology for environmental improvement Environmental Sciences, Winter-spring 2003/2004 J. Gilron, Institutes for Applied Research

Membrane technology for environmental improvement

Environmental Sciences, Winter-spring 2003/2004

J. Gilron,

Institutes for Applied Research

סתיו תשנ"ד 2

Lecture outline

• Principles of membrane separations - flux, selectivity concepts

• Survey of pressure driven water processes - applications

• Electrodialysis process - application


: של למטרות הפרדות

מים. 1 טיהוראויר. 2 טיהורבשפכים. 3 טיפולייצור. 4

ההפרדה להיות צריכה טובה ?כמה ? איתה לעשות מה פסולת זרם יש ?האם

? תופס מקום כמה ההפרדה צורכת אנרגיה כמה?הציוד


ממברנלית הפרדה של עקרון

Feed side, 1

Permeate Side, 2

A

B

B

BB

A

AA R

FJ

R

FJ ,

שטף משואתדרך

ממברנה:

מניע כח

אותו של למעבר הממברנה התנגדותמרכיב


פולימריים של כימיה

• או – גמיש השרשרת מבנה?קשיח

• מתחברות קבוצות(pendant groups ) – ? לא או פולריים? לא או הידרופילי

קטנים או ?גדולים


ממברנות של מבנה


אסימטריות ממברנות


Mechanisms of selectivity

• Size - sieving• Charge• chemical affinity - eg

hydrophobicity/hydrophilicity• hydration-dehydration of ions• dielectric effects


Membrane properties of importance, pressure driven processes

• Average pore size

• Pore size distribution - wide? Narrow?

• Porosity

• Membrane thickness

• hydrophilicity-hydrophobicity of surface, matrix

• surface roughness


ממברנות של יתרונות

ההפרדה • חדות• ” שינוי ) אין כ בד נמוכה יותר אנרגיה בעלות הפרדה

(פאזותמתונים • ובתנאים הזרם חימום בלי הפרדותרציף • תהליך מאפשרמודולרי - • מאוד לגמלון וגמיש קל• ” הממברנה תכונות שינוי י ע ההפרדה גיווןכימיקלים • בתוספת צורך איןלהכלאה • ניתן

ממברנות של מגרעותואילוח • ריכוזים קיטובבתעשיה • ממברנה של חיים אורך


Comparison of membrane module geometries

Tubular Capillary Plate-and-FrameSpiral Wound

Characteristic flow diameter, mm 4 - 35 0.5-1.5 0.5 - 1 0.5 - 1Cost/Area High Low High LowMembrane replacemeetn High Moderate Low Moderate/lowFlux, L/M2h Good Good Low LowPacking density, m2/m3 poor excellent Good/fair GoodHoldup volume High low medium mediumEnergy consumption high low medium mediumFouling Resistance Excellent Good/fair Good/fair MediumCIP Excellent Good Fair/poor Fair/poorTable 10.9 in Ch. 10 Ultrafiltration, Water Treatment, Membrane Processes, Maillevialle, J. et al., McGraw-Hill 1996.


MembraneFeed-water

QF

CF

PermeateQP

CP

ConcentrateQcCc

P

QF = QP + QcQF*CF = QP*CP + Qc*CcRecovery = (QP/QF)*100 [%]Rejection = (1-CP/CF)*100 [%]

מאזני חומר בתהליך מונע לחץ

76עמוד


(recovery , stage cut )יחס השבה

Qf , Qr

Qp

f

p

Q

QY or


שבר של מרכיב המוצר : ( YIELDניצולת )שמושב בזרם המוצר

ff

streamprodiii QC

QCY


Each unit operation

• Principle of operation• Flux equation and selectivity• Materials and modules usually used• Applications at least one:

– description of feed, concentrate and permeate

– Operating costs, energy, area required

• RO, NF, ED, UF/MF, PV


1 bar = 105 N/m2 = 105 pascal = 100 Kpa = 14.5 psi

A = angstrom = 10-4 m = 10-10 m Typical size of materials separatedPollen 100 mStarch 10 mBacteria 1 mVirus 0.05 mAlbumin 100 AGlucose 10 ANa+, Cl- 1 A

78עמוד


Membrane processes

Process DrivingForce

Typical Flux Separation mechanism

MF Pressure(0.1-3 bar)

100 – 1000 L/M2-Hr Size

UF Pressure(0.35 – 5bar)

30 – 300 L/M2-Hr Size

NF Pressure(6-10 bar)

20 – 150 L/M2-Hr Solution/ diffusion/hydration

RO Pressure (7– 70 bar)

10 – 35 L/M2-Hr Solution/ diffusion/hydration

ED Electrical(1-2 V/CP)

10 – 50 mA/cm2 Charge


Osmosis Equilibrium Reverse osmosis

P < o P = o Pa > o

Osmotic pressure Applied

Pressure P o Pa

Fresh Saline Fresh Saline Fresh Saline

אוסמוזה ואוסמוזה הפוכה

77עמוד


תהליכים של שטף משואותממברנליים

PR

Jwm

1)( 2,1, SsS CCBJ RO,

NF

mV R

PJ

MF, UF 2

8

rRm

)( 2,1, iii PPSDJ GS, PV

CPion R

E

FJ

1ED


לסלקטיביות :ביטויים

• Liquid separations (RO, NF)

R = 1 - Cp/Cf

• Liquid separations (UF/MF)

• Gas separations and pervaporation

• Electrodialysis

tj = Ij/It

B

A

P

Por

/

/

BA

BA

xx

yy

ismsmicroorganor particles ofion concentrat theis C wherelogp

f

C

CLRV


לחץ מונעי במים הפרדה תהליכי


RO/NF

• Membranes: – RO – polyamide (TFC), cellulose acetate (asymmetric)– NF – same, + polypiperazine, PVA

• Modules: – RO – SW, PF (special)– NF – SW, PF (special), HF (new development)

• Selectivities:– R(NaCl) = >98% RO, 20-90% (NF)– R(divalent)- >99% RO, >95% (NF)– MWCO – 200 -1000 (NF)


RO – NF -יישומיםRO APPLICATIONS

Purpose Solvent SoluteDrinking waterDesalination Purification Water salt seawater, brackish water as propuct

Highly pure waterBoiler feed water Purification Water Si, Fe, other saltsSemi-conductor industry Purification Water all solutes

FoodDairy Concentration of milk Water protein, salts, lactoseBeverage Improve/uniform water qualityWater salts, organicsCorn Steep Liquor COD removal Water COD

NF ApplicationsDrinking water Softening Water hardness, other heavy metals Organics removal Water THM

Manufacturing Product Recovery Dye recovery Desalting and concentrationWater+salt Pharmaceuticals Desalting Water+salt

Concentration Solvent product


אלקטרודיאליזה

• Ion exchange membranes – AEM quaternary amines, CEM – carboxylates, sulfonates

• Plate and frame stacks


Product water

BrineAnode

Cathode

CationPermeablemembrane permeable

membrane

Saline feed water

+ + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + - - - - - - -

A A AC C C

אלקטרו-דיאליזה

AnionCation

77עמוד



PR

Jwm


NF

mV R

PJ

MF, UF 2

8

rRm


CPion R

E

FJ

1ED




R = 1 - Cp/Cf



• Electrodialysis

tj = Ij/It

B

A

P

Por

/

/

BA

BA

xx

yy


f

C

CLRV


אלקטרודיאליזה , המשך

Pump: 0.5 - 1.1 kWh/m3 product waterMembrane stack: 0.7 kWh/m3 - product water/ 1000 mg/L TDS removedPower losses: about 5% of total energy used

Suffolk Virginia

Capacity, m3/day 10,785Recovery 95%TDS feed 563Fluoride, feed 4.77 exceeds maximum permittedTDS productTDS concentratePretreatment cartridge filtersInstalled 1990Operating Costs: 0.26 $/m3 product


אנרגיה סגולית של תהליךrateproduction

PowerEsp

• Pressure driven processes (filtration)

• Electrically driven process

recycle) (no

rate production

Y

P

Q

QPE

QQPPower

p

fsp

pf

recycle) (no

rate production

Dsp

D

Q

IE

QIPower


Comparison of RO and EDR

Issue RO EDR

Removal of nonionic contaminants + -Susceptibility to fouling - +Extent of pretreatment - +Recovery +Energy efficiency on highly saline feeds + -Availability of many vendors - price competition + -

+ means preferred process with respect to this issue


Desalination technologies: Relative advantages/disadvantages

Process Driving Force

Energy source Energy cost, kwh/m3

Typical recoveries

Scale Quality

RO P Electric, solar 0.25 - 1.85 75-85% small - large 100-400 ppm

ED Electric, solar

0.7 kwh/m3 + 0.4-1 kwh/kg salt 85 - 97% small - medium 50-400 ppm

Thermal Fossile fuel, waste heat , solar

MSF 2.38 - 3.96 50%-75% large <50 ppm

MED 0.75 - 1.75 50%-75%

Medium- large (5000 m3/d multiples) <50 ppm

VCF 8.2 - 12.3 50%-75% small-medium <50 ppm


לחץ מונעי במים הפרדה תהליכי


, מיקרופילטרציה - UFאולטרה-פילטרציה MF

• Membrane materials – polysulfone, PVDF, PAN, polyolefins, ceramics

• Membrane structure – asymmetric (UF), asymmetric or symmetric (MF)

• Module geometries – HF (0.8 – 1.1 mm ID), SW, P&F• Operational modes – deadend or semi-deadend (drinking

water, MBR), crossflow (process)• Applications – bioseparations - cell harvesting (MF),

protein concentration and purification (UF), dye and textile reagent recovery,

• food processing – whey protein concentrate (UF), clarification and cold sterilization of beverages (MF



PR

Jwm


NF

mV R

PJ

MF, UF 2

8

rRm


CPion R

E

FJ

1ED




R = 1 - Cp/Cf



• Electrodialysis

tj = Ij/It

B

A

P

Por

/

/

BA

BA

xx

yy


f

C

CLRV


שתיה – מזהמים : מי

•: אורגניזמים- , מיקרו מ ציסטות פרוטוזואהחיידקים ) , ' וירוסים) קריפטוספורידיום יררדיה ג

•DBP – - חומרים סילוק מחיטוי לואי תוצריהומיות – חומצות אורגניים

נדיפים • אורגניים חומריםהדברה • חומריכבדות • מתכותמלחים•


במים לטיפול תהליך בחירת

From National Drinking Water Clearinghouse


From National Drinking Water Clearinghouse


שהם המזהם לפי תהליכים סיווגמסלקים

Type of Target Pollutant Candidate ProcessesVolatile compounds PervaporationSalinity, nitrates RO, ED/EDRHardness, heavy metals RO, ED, NFSpecific organic compounds, natural organic matter (NOM)

NF, AC-UF, Coagulation-MF, membrane bioreactor (MBR)

microbial contaminants, viruses UF, coagulation-MFMicrobial contaminants, SS UF, MF


Applications of membrane processesProcess Water Treatment application

MF Girardia removal, some bacteria partial virus, pretreatment

UF Microorganisms, viruses, oil, marcomolecules, pretreatment

NF Softening, ion and heavy metal removal , partial desalting, THM, DBP removal

RO Desalination ,

ED Nitrate removal, desalting of moderate salty soln

PV Water/organics, volatiles from water

Membrane contactor Hydrocarbons, metals from water

Gas Sep Sour gases, vapor from air


Heavy metal containing stream

Precipitation

Metalppt.

PermeateWater

Microfiltration

Surfactant /Polymer Recycle

Surfactant orPolymeric

Chelates AddedPermeate

Water

BreakComplex

Metals

Ultrafiltration

Dilute Waste;

Waste Containing High NaCl,or Metal Chelate Permeate Containing

High NaCl

Conc. MetalNanofiltration

RO Conc. Metals

Permeate for Recycle

Functionalized Sorbent

Recovered Solid or Liquid by Regeneration

High Quality Permeate

ED

Ion Free Water

Concentrated Metals

Various Membrane-Based Processing Schemes for Metal Recovery and Water ReuseFrom D.B.Bhattacharyya et al., 1999. Eng Foundation Conference.

Documents

Membrane technology for environmental improvement Environmental Sciences, Winter-spring 2003/2004 J. Gilron, Institutes for Applied Research