Cleaning of micro- and ultrafiltration membranes with infrasonic backpulsing.
Date
2009-12
Authors
Shugman, Emad Musbah
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : University of Stellenbosch
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Membrane fouling is universally considered to be one of the most critical problems in the
wider application of membranes in filtration separation. Fouling is caused by the deposition of
particles not only on the surface of the membrane, but also inside the membrane pores, which
reduces permeate flux and leads to a reduction of the efficiency and the longevity of the
membrane. The backpulsing cleaning method can be used to remove deposited foulants from
the surface of the membrane, without having to shut down the plant. Ultrasonic time-domain
reflectometry (UTDR) is a nondestructive technique, used to detect and measure the growth
of fouling layer on the membrane surface during microfiltration and ultrafiltration processes.
In this study flat-sheet microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes were fouled
during a cross-flow filtration processes using dextrin, yeast or alumina (feed pressure 100 kPa
and feed flow rate 0.45 liter/minute), in a flat cell. Infrasound frequency backpulsing, in the
permeate space, was used to clean the membranes. Backpulsing was carried out using the
permeate water or soap solutions. The peak pressure amplitude of the pulses used to clean the
membranes was 140 kPa, the pulsing was applied at a frequency of 6.7 Hz.
The main objectives of this research were: (1) to obtain a fundamental understandimg of how
foulants deposit on membrane surfaces and how the foulant deposits can be removed using
the backpulsing cleaning technique during MF and UF, (2) to use the ultrasonic measurement
technique for monitoring the growth and removal of the fouling layer on the membrane
surface and (3) Use scanning electron microscopy (SEM) as a direct measurement technique
to analyze the structure the foulant deposits on membrane surfaces before and after cleaning.
Results showed that a flux value of between 55% and 98% of the clean water flux value can
be achieved by backpulsing cleaning. UTDR was successfully applied to monitor membrane
cleaning and provide information about the growth and removal of fouling layers on the
membrane surface.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Membraanaanvuiling is wêreldwyd bekend as een van die mees kritieke probleme wat die wyer aanwending van membrane vir skeidingsprosesse benadeel. Aanvuiling word veroorsaak deur die deponering van partikels, nie net op die oppervlak van die membraan nie, maar ook binne-in die membraanporieë, wat die volgende tot gevolg het: 'n afname in vloed deur die membraan, 'n afname in die effektiwiteit van die membraan, en 'n korter membraanleeftyd. Die teenpulsskoonmaakmetode kan gebruik word om die aanvuilingslaag vanaf die membranoppervlakte te verwyder sonder dat dit nodig is om die membraantoetsapparaat af te skakel. Ultrasoniese-tydsgebied-weerkaatsing (UTW) is 'n nie-vernietigende tegniek wat gebruik kan word om die groei van 'n aanvuilingslaag op 'n membraanoppervlakte tydens mikrofiltrasie (MF) of ultrafiltrasie (UF) te identifiseer en te meet. In hierdie studie is plat-vel MF en UF membrane bevuil gedurende 'n kruisvloeifiltrasieproses deur gebruik to maak van dekstraan, gis of alumina, in 'n plat sel. Infraklank-frekwensieteenpols, in die permeaatgebied, is gebruik om die membrane skoon te maak. Hiervoor is die proseswater of 'n seepoplossing gebruik. Die maksimum drukamplitude van die pulse wat gebruik is was 140 kPa, en die puls was aangewend teen 'n frekwensie van 6.7 Hz. Die hoofdoelwite van hierdie studie was die volgende: (1) om inligting in te win oor hoe aanvuilingsmateriale op membraanoppervlaktes gedeponeer word tydens MF en UF en hoe hulle verwyder kan word deur gebruik te maak van die teenpulsskoonmaaktegniek; (2) om van die teenpulsskoonmaaktegniek gebruik te maak om die groei van die bevuilingslaag asook die verwydering daarvan op die membraanoppervlakte te monitor; en (3) om van skandeerelektronmikroskopie (SEM) as 'n direkte analitiesetegniekgebruik te maak om die struktuur van die aanvuilingsmateriaal voor en na die die skoonmaakproses te analiseer. Deur gebruik te maak van teenpulsskoonmaak kon die membraanvloed tot tussen 55–98% van die oorspronklike suiwerwatervloed verbeter word. Sodoende is ultrasoniese-tydsgebiedweerkaatsing suksesvol gebruik om die skoonmaak van membrane te monitor asook om inligting in te win i.v.m. die groei en verwydering van die aanvuilingslae op die membraanoppervlaktes.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Membraanaanvuiling is wêreldwyd bekend as een van die mees kritieke probleme wat die wyer aanwending van membrane vir skeidingsprosesse benadeel. Aanvuiling word veroorsaak deur die deponering van partikels, nie net op die oppervlak van die membraan nie, maar ook binne-in die membraanporieë, wat die volgende tot gevolg het: 'n afname in vloed deur die membraan, 'n afname in die effektiwiteit van die membraan, en 'n korter membraanleeftyd. Die teenpulsskoonmaakmetode kan gebruik word om die aanvuilingslaag vanaf die membranoppervlakte te verwyder sonder dat dit nodig is om die membraantoetsapparaat af te skakel. Ultrasoniese-tydsgebied-weerkaatsing (UTW) is 'n nie-vernietigende tegniek wat gebruik kan word om die groei van 'n aanvuilingslaag op 'n membraanoppervlakte tydens mikrofiltrasie (MF) of ultrafiltrasie (UF) te identifiseer en te meet. In hierdie studie is plat-vel MF en UF membrane bevuil gedurende 'n kruisvloeifiltrasieproses deur gebruik to maak van dekstraan, gis of alumina, in 'n plat sel. Infraklank-frekwensieteenpols, in die permeaatgebied, is gebruik om die membrane skoon te maak. Hiervoor is die proseswater of 'n seepoplossing gebruik. Die maksimum drukamplitude van die pulse wat gebruik is was 140 kPa, en die puls was aangewend teen 'n frekwensie van 6.7 Hz. Die hoofdoelwite van hierdie studie was die volgende: (1) om inligting in te win oor hoe aanvuilingsmateriale op membraanoppervlaktes gedeponeer word tydens MF en UF en hoe hulle verwyder kan word deur gebruik te maak van die teenpulsskoonmaaktegniek; (2) om van die teenpulsskoonmaaktegniek gebruik te maak om die groei van die bevuilingslaag asook die verwydering daarvan op die membraanoppervlakte te monitor; en (3) om van skandeerelektronmikroskopie (SEM) as 'n direkte analitiesetegniekgebruik te maak om die struktuur van die aanvuilingsmateriaal voor en na die die skoonmaakproses te analiseer. Deur gebruik te maak van teenpulsskoonmaak kon die membraanvloed tot tussen 55–98% van die oorspronklike suiwerwatervloed verbeter word. Sodoende is ultrasoniese-tydsgebiedweerkaatsing suksesvol gebruik om die skoonmaak van membrane te monitor asook om inligting in te win i.v.m. die groei en verwydering van die aanvuilingslae op die membraanoppervlaktes.
Description
Thesis (MScEng (Process Engineering))--University of Stellenbosch, 2009.
Keywords
Dissertations -- Process engineering, Theses -- Process engineering