Thesis /

ROMDOC-THESIS-2017-1349

The effect of membrane clogging for simple and coupled membrane processes

Al-Janabi, Ali A. Abbas
2016-09-13

Abstract: ABSTRACT The thesis The Effect of Membrane Clogging for Simple and Coupled Membrane Processes attempted, through its development in line with other papers in specific scientific literature, the fact that in membrane separation processes with individual or coupled operation, the membrane clogging phenomenon is responsible for controlling the currents of fluids, in the sense of reducing them in time. Therefore the productivity of these processes diminishes and their control becomes increasingly difficult. In addition, the danger of irreversible destruction of the membrane active barrier becomes more and more likely. The thesis contains two approaches. The first is experimental investigation, where it presents novel elements in regards to the synthesis, characterization and functional behavior, including the behavior of clogging in ultrafiltration, of a new concept of cellulose-silica composite membranes. The second is that of modeling and simulation, which analyzes the effect of coupling of the system ultrafiltration with clogging-pervporation in two fermentation cases, namely the fermentation of glucose to acetone-butanol-ethanol, respectively glucose fermentation for ethanol. Referring to the experimental part of this thesis, it focuses on the manufacture of a number of composite membranes with cellulose as the major component, based on their dissolving in a NaOH - urea /thiourea solution. TEOS (tetraethyl orthosilcate), with different concentrations (0%, 10%, 30%), was used as the silica precursor in the synthesis of these membranes. The phase inversion method was applied in the manufacturing of the membranes. Membranes physical and chemical characterization and their uses in pervaporation PV, evaporation EM, and ultrafiltration membrane UF was done. In conducting the pervaporation experiments using these membranes, an ethanolwater system was used, with a different concentrations and different temperatures (25°C, 35°C, 40°C). The swelling degree (DS) and pervaporation performance were evaluated in terms of total permeate flux Jp, separation factor w/ eth and separation index PSI. The result showed an increase in DS and Jp with all operational parameters. The dependence between Jp and temperature was expressed by the Arrhenius equation, and the values of activation energy conform to results reported in literature. The high selectivity for water transport of the synthesized membranes for the ethanol-water system has been shown by testing them as pervaporation membranes. The synthesized membranes exhibit good behavior as evaporation membranes. The experimental investigation of the dependency between water flux and transmembrane difference, coupled with membrane clogging tests, has shown that good working conditions can be obtained when using these membranes in ultrafiltration (UF). In modelling and simulation, the thesis focuses on the concrete problems in engineering design or engineering operation of individual pevaporation processes, respectively of pervaporation coupled with other processes. In this respect, four cases are considered. For the purpose of performing the engineering computations of the dehydration of solvents by pervaporation, a new method in which the membrane’s permeate flux and the water selectivity is expressed based on experiments with programmed organization, as a function of the water content in the solvent, temperature and pressure of the vapors at the membrane surface is proposed. Isopropanol dehydration and distillation of ethanolic solutions by their coupling with pervaportion are also analyzed on the same basis. For the coupling of the pervaporation with fermentation processes with the generation of alcohols, a schema where ultrafiltration, with membrane clogging is assessed in order to protect the pervaporation membrane was considered. In this sense, for glucose fermentation to acetone-butanol-ethanol (ABE), a mathematical model of the fed batch bioreactor coupled with an ultrafiltration-pervaporation unit has been developed. It clearly shows that this coupling follows the reduction of the toxic effect of butanol on bacterial system activity. This model, giving the bioreaction species dynamics inside of the reactor, is used in process optimization, where it imposes the maximization of solvent production. Here the substrate concentration in the bioreactor feed, the initial culture volume in the bioreactor, the surface and the separating performances of ultrafiltration and of pervaporation units near to switching time and stripping time are the process control variables. In the case of glucose fermentation for ethanol, the coupling of the system’s ultrafltration with clogging-pervaporation with the bioreactor is a solution to control the toxic effect of ethanol on the Sacharomices cerevisiae bacterial system. By modelling and simulation, the classical batch operation mode of the reactor (B) with batch coupled with ultrafiltration and pervaporation operation mode (B-PV), respectively with fed batch coupled with ultrafiltration and pervaporation operation mode (FB-PV) are compared. REZUMAT Teza Efectul colmatării membranelor asupra proceselor de separare simple și cuplate, a încercat, prin dezvoltarea sa în conformitate cu alte lucrări din literatura ştiinţifică specifică, să evidențieze faptul că în procesele de separare cu membrane, cu funcționare individuală sau cuplată, colmatarea membranei este fenomenul responsabil de controlul curenților fluidelor, în sensul reducerii acestora în timp. Prin urmare, productivitatea acestor procese este diminuată şi controlul lor devine tot mai dificil. În plus, crește pericolul distrugerii ireversibile a membranei in componenta sa ce are rol de barieră activă. Teza conţine două abordări: - prima este reprezentata de investigarea experimentală, în care sunt prezentate elemente noi în ceea ce priveşte sinteza, caracterizarea şi comportamentul funcţional, inclusiv comportamentul de colmatare în ultrafiltrare, al unui nou concept de membrană compozită tip celuloză-silice. - a doua este cea de modelare şi simulare, care analizează efectul cuplării sistemului de ultrafiltrare cu colmatare-pervaporare în două cazuri şi anume: fermentarea glucozei la acetonă-butanol-etanol, respectiv fermentarea glucozei pentru obtinere de etanol. Cu referire la partea experimentale a tezei, aceasta se concentrează pe fabricarea unei serii de membrane compozite care au celuloza drept componentă majoră, si care s-au preparat prin dizolvarea acesteia într-o soluție de NaOH - uree/tiouree. Tetraetil ortosilicat (TEOS), cu diferite concentratii (0 – 50%), a fost folosit ca precursor de silice în sinteza acestor membrane. Metoda inversiunii de fază a fost aplicată în procesul de fabricare a membranelor. Se prezinta caracterizarea fizică și chimică a membranelor şi utilizările lor în pervaporare (PV), evaporare membranara (EM) și ultrafiltrare (UF). În efectuarea experimentelor de pervaporatie cu aceste membrane, a fost folosit sistemul etanol-apă la concentrații și temperaturi diferite (25 °C, 35 °C, 40 °C). Gradul de gonflare (DS) şi performanţa pervaporării au fost evaluate din punct de vedere al fluxului total de permeat, Jp, a factorului de separare, αw/eth, respectiv a indicelui de separare, PSI. Rezultatul a evidentiat o creștere a DS şi Jp cu cresterea valorilor tuturor parametrilor de operare. Dependenţa dintre Jp şi temperatură a fost exprimată de ecuaţia Arrhenius pentru ca valorile obtinute pentru energia de activare sunt în conformitate cu rezultatele raportate în literatură. Testarea membranelor sintetizate ca membrane de pervaporare pentru sistemul etanol-apă a pus in evidenta înalta selectivitate a acestora pentru transportul apei prin membrana. Membranele sintetizate dau dovadă de un comportament bun ca membrane de evaporare. Investigarea experimentală a dependenţei dintre fluxul de apă şi diferenţa de presiune transmembranară, cuplată cu teste de colmatare a membranei, a evidentiat că pot fi obţinute condiţii de lucru bune pentru utilizarea acestor membrane în ultrafiltrare (UF). În capitolele de modelare şi simulare, teza se axează pe problemele concrete de proiectare sau exploatare a proceselor individuale de pervaporare, respectiv a pervaporării cuplate cu alte procese. În această privință, sunt analizate patru cazuri. În scopul executării calculelor de inginerie a deshidratării solvenților prin pervaporare, este propusă o nouă metodă în care fluxul de permeat caracteristic membranei şi selectivitatea acesteia pentru apa se exprimă, pe baza experimentelor factoriale, in funcție a conținutului de apă din solvent, temperatura de lucru şi presiunea vaporilor la suprafața membranei. Deshidratarea izopropanolului şi distilarea de soluții etanolice prin cuplarea lor cu pervaporarea sunt astfel analizate in maniera similara. Pentru cuplarea pervaporării cu procesele de fermentare cu generarea de alcooli, a fost luată în considerare o schemă de operare în cadrul căreia este utilizata ultrafiltrarea cu colmatarea membranei în scopul de a proteja membrana de pervaporare. În acest sens, pentru fermentarea glucozei la acetonă-butanol-etanol (ABE), a fost dezvoltat un model matematic al bioreactorului discontinuu cu alimentare controlata cuplat cu o unitate de ultrafiltrare cu colmatare-pervaporare, in scopul reducerii efectului toxic al butanolului asupra activității sistemului bacterian. Acest model, care descrie variatia concentratiei speciilor de bioreacție în interiorul reactorului, este utilizat în optimizarea procesului, în care se impune maximizarea producţiei de solvent si minimizarea continutului de substrat in masa de fermentat, la sfarsitul operatiei. Concentrația substratului în alimentarea bioreactorului, volumul iniţial al culturii în bioreactor, suprafaţa şi performanțele de separare ale unităţilor de ultrafiltrare şi pervaporare timpul de comutare de la operarea complet discontinua la operarea cu alimentare şi timpul de pornire a sistemului de ultrafiltrare - pervaporare au fost considerate ca variabilele de control ale procesului. În cazul fermentării glucozei la etanol, cuplarea sistemului ultrafiltrare cu colmatare-pervaporare cu bioreactorul este o soluţie pentru a controla efectul toxic al etanolului asupra sistemului bacterian Sacharomices cerevisiae. Prin modelare şi simulare sunt comparate modul clasic de operare discontinuă al reactorului (B) cu modul de operare discontinuu cuplat cu ultrafiltrare și pervaporare (B-PV), respectiv cu modul de operare discontinuu cu alimentare cuplat cu ultrafiltrare şi pervaporare (FB-PV).

Keyword(s): Membrane -- Procese chimice -- Teză de doctorat ; Separare (Proces fizico-chimic) -- Teză de doctorat ; Membrane compozite -- Teză de doctorat
OPAC: See record in BC-UPB Web OPAC
Full Text: see files

Similar records

 

People who viewed this page also viewed:

(268)  Optimizarea conceptuală şi operaţională a instalaţiilor chimice multiscop - Voinescu, Sorin - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2003-000000054 (256)  Tehnologiile informării şi comunicării : suport de curs - Curta, Olimpia - ROMDOC-BOOK-2007-005 (252)  Modelarea curgerilor tranzitorii în jurul corpurilor aflate în vecinătatea suprafeţei libere în regimul subcritic - Tîrală, Nicoleta Octavia - ROMDOC-THESIS-2017-1337 (250)  Procedee pentru obţinerea copolimerilor cu compozţie uniformă - Dumitrescu, Anca Mădălina - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2004-000000355 (249)  Managementul congestiilor în sistemele electroenergetice în prezenţa surselor regenerabile - Boambă, Claudia-Elena - ROMDOC-THESIS-2021-2325

 

Rate this document:

Be the first to review this document.

Discuss this document:

Start a discussion about any aspect of this document.