Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Fouling analysis of membranes used in the filtration of liquid radioactive waste

Katarzyna Biliniak

Abstract

Membrane processes due to the lower energy input as compared to other processes of separation are widely used in various industries. Despite the relatively simple mechanism of the membrane filters, there are some limitations of their application including a pore-blocking of membrane and decrease in efficiency of the process. This occurs because an organic or inorganic substance can deposit on membrane surface or/and penetrate into its pores blocking the permeate flow – the phenomenon called “ fouling”. Understanding mechanisms of fouling formation provide development of strategies to prevent and minimize membrane fouling. The aim of this thesis was to find the correlation between the zeta potential of the filtered solution and membrane fouling. The fouling was also investigated including such parameters as molecular weight cut-off, pH of the solution and membrane material. It was to verify if these parameters can be used as a tool during process design to estimate the tendency of a solution to membrane fouling. The scope of the thesis also included a literature review on process parameters and characteristics of the feed stream and membrane having affect fouling. The scope of the experimental study included the preparation of the solutions of polyacrylic acid and cobalt nitrate II. There were used three different molecular weight cut-offs of the acid: 30, 100 and 250 kDa and their solutions of pH 3, 5 and 7 were prepared. The physicochemical parameters of nine test solutions were examined including zeta potential. Then, solutions were filtered using two different membranes: PES (polyethersulfone) and RC (regenerated cellulose) with the same cut-off 10 kDa. Both membranes were tested with the goniometer before the filtration to evaluate their hydrophilic or hydrophobic properties. During filtration, the decrease of permeate flux was tested by the weight method. The experimental results clearly showed that zeta potential of the solution may be a research tool to evaluate the solution tendency to membrane fouling. The higher the absolute value of the zeta potential (colloids are more stable), the lower the fouling was observed. It is linked to the pH level of the solution – the lower pH, the lower absolute value of the zeta potential, thus the higher tendency of the solution to fouling. Also, the membrane material may influence the fouling – in the case of hydrophobic material (such as PES) fouling is more likely to occur than for a hydrophilic membrane (such as RC). The parameters described above are very important while designing the process on an industrial scale in order to avoid clogging membranes and lowering the filtration efficiency.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Katarzyna Biliniak (FCPE) Katarzyna Biliniak,, Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Title in Polish
Analiza foulingu membran wykorzystywanych w procesie filtracji ciekłych odpadów promieniotwórczych
Supervisor
Ewa Dłuska (FCPE/DPKT) Ewa Dłuska,, Department of Process Kinetics and Thermodynamics (FCPE/DPKT)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Certifying unit
Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Affiliation unit
Department of Process Kinetics and Thermodynamics (FCPE/DPKT)
Study subject / specialization
, Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
04-02-2019
Issue date (year)
2019
Pages
40
Internal identifier
DICHP-2846
Reviewers
Ewa Dłuska (FCPE/DPKT) Ewa Dłuska,, Department of Process Kinetics and Thermodynamics (FCPE/DPKT)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE) Maciej Szwast (FCPE/CIPE) Maciej Szwast,, Chair of Integrated Process Engineering (FCPE/CIPE)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Keywords in Polish
fouling, procesy membranowe, membrana PES/RC, ultrafiltracja, potencjał zeta
Keywords in English
fouling, membrane processes, membrane PES/RC, ultrafiltration, zeta potential
Abstract in Polish
Procesy membranowe, ze względu na niższy nakład energetyczny w porównaniu do innych procesów rozdzielania, znalazły szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Pomimo nieskomplikowanej zasady działania filtrów membranowych istnieją ograniczenia ich stosowalności związane z zapychaniem się porów membrany prowadzącym do spadku efektywności filtracji. Przyczyną jest osadzanie się organicznej/nieorganicznej substancji na powierzchni membrany i/lub jej wnikanie w pory powodujące blokowanie przepływu permeatu (przesączu) – zjawisko nazywane „foulingiem”. Poznanie mechanizmów powstawania foulingu membran pozwala na opracowanie strategii jego minimalizacji i zapobiegania mu. Celem pracy było wykazanie związku pomiędzy potencjałem zeta roztworu filtrowanego a foulingiem membran. Badano również wpływ na fouling takich parametrów jak: odczyn roztworu, masa cząsteczkowa związku oraz materiał membrany. Wykazanie zależności między foulingiem, a tymi parametrami miało na celu sprawdzenie, czy ich pomiar może być narzędziem do sprawdzania tendencji filtrowanych roztworów do foulingu na etapie projektowania procesu. Zakres pracy obejmował również przegląd literaturowy dotyczący parametrów procesowych oraz charakterystyki nadawy i membrany mających wpływ na fouling. Zakres badań obejmował przygotowanie roztworów kwasu poliakrylowego z azotanem kobaltu (II). Użyto trzech różnych mas cząsteczkowych kwasu poliakrylowego: 30, 100 i 250 kDa oraz doprowadzono każdy z roztworów do pH 3,5 oraz 7. Zbadano parametry fizykochemiczne dziewięciu roztworów testowych włączając potencjał zeta. Następnie roztwory poddano filtracji z wykorzystaniem dwóch membran: z PES (polieterosulfonu) oraz z RC (regenerowanej celulozy) o punkcie odcięcia 10 kDa. Membrany przed filtracją zbadano za pomocą goniometru, aby ocenić, czy materiał jest hydrofobowy, czy hydrofilowy. Podczas filtracji mierzono spadek strumienia permeatu w czasie metodą wagową. Z przeprowadzonych badań wynikało, iż potencjał zeta roztworu może stanowić narzędzie do oceny tendencji roztworu filtrowanego do foulingu membran. Wraz ze wzrostem bezwzględnej wartości potencjału zeta (czyli ze wzrostem stabilności koloidów) maleje tendencja do foulingu. Jest to związane również z odczynem roztworu – im bardziej kwaśny odczyn roztworu, tym niższa wartość bezwzględna potencjału zeta, a więc większa tendencja do foulingu. Na powstawanie foulingu ma też wpływ rodzaj materiału membrany, jeżeli jest on hydrofobowy (membrana PES) – fouling będzie występował silniej, niż w przypadku materiału hydrofilowego (membrana RC). Powyższe parametry należy wziąć pod uwagę podczas projektowania procesu na skalę przemysłową, aby uniknąć zapychania się membran i spadku efektywności filtracji.
File
  • File: 1
    praca_inżynierska_Katarzyna_Biliniak.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 26226
Additional fields
Konsultacje: Agnieszka Miśkiewicz (Instytut Chemii i Techniki Jądrowej)

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT7e79359766b64723a51b1b163e6b9df8/
URN
urn:pw-repo:WUT7e79359766b64723a51b1b163e6b9df8

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page