Development of a cellulose acetate hollow-fine-fibre membrane
Date
2010-03
Authors
Tawari, Akram
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : University of Stellenbosch
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The goal of this study is to produce cellulose acetate (CA) hollow-fine-fibre membranes with
good water flux performance in the 95 – 96% salt retention range for brackish water
desalination from first principles. First, the acceptable range of fibre dimensions was
determined by means of a collapse pressure calculation using the elastic buckling pressure
equation (thin shell assumption). Second, the pressure drop across the fibre wall in the
hollow-fine fibre was determined by using the Hagen-Poiseuille equation, in order to
determine how this would affect the chosen fibre dimensions. It was determined that the
acceptable range of fibre dimensions was 222 – 247 m, and the wall thickness was 50 m.
Fibres with these dimensions exhibited a high resistance to brackish water operating pressure
of 20 – 25 bar, without collapse. The pressure drop calculations of these dimensions showed
a sufficiently low pressure drop across the fibres.
A dry-wet spinning technique was used for the preparation of the hollow-fine-fibre
membranes. Hollow-fine fibres were spun using CA dissolved in a suitable solvent and
non-solvent mixture comprising acetone and formamide.
The effects of the dope composition and spinning parameters such as solvent to non-solvent
ratio, bore fluid ratio, take-up speed, dope extrusion rate and heat treatment on the membrane
morphology and performance were investigated. The spun fibres showed a good
morphological structure, with no macrovoids (sponge-like structure), which is favourable for
reverse osmosis (RO) applications. The hollow-fine-fibre membranes showed a good
brackish water desalination performance within brackish water operating conditions.
Statistical analysis was used to generate a fabrication formulation for producing cellulose
acetate hollow-fine-fibre membrane for brackish water desalination with improved salt
retention and flux. A three-level three-factor factorial was used to the study of the effect of
spinning parameters (solvent to non-solvent ratio, bore fluid ratio and air gap distance).
A regression equation was successfully established and was used to predictably produce
membranes with good performance within the limits of the factors studied. RO performance
of these hollow-fine-fibre membranes was good: The salt retention ranged from 96 to 98%
and the permeate flux ranged from 60 to 46 L/m2.d (2 000 ppm, NaCl, 20 bar, 24 oC).
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die studie het ten doel gehad om selluloseasetaat holveselmembrane vanaf eerste beginsels vir brakwaterontsouting te ontwikkel. Die ontsoutingsvlakke van die membrane moet tussen 95 en 96% lê met ’n aanvaarbare waterproduksievermoë. Aanvaarbare deursneë vir die holvesels is eerstens bepaal deur platval-berekeninge met behulp van die inmekaarvouvergelyking uit te voer (dunwand aanname). Hierna is drukval oor die wand van die holvesel met behulp van die Hagen-Poiseuille vergelyking bepaal ten einde vas te stel hoe dit die gekose dimensies sal beïnvloed. Daar is vasgestel dat vesel deursneë tussen 222 en 247 um met ’n 50 um wand aanvaarbaar is. Vesels met hierdie dimensies het ’n hoë weerstand teen inval getoon by brakwater opereringsdrukke tussen 20 en 25 bar. ’n Droë-nat spintegniek is in die voorbereiding van die holveselmembrane gebruik. Holvesel membrane is met ’n selluloseasetaat stroop gespin wat uit ’n oplosmiddel (asetoon) en nieoplossmiddel (formamied) bestaan het. Die effek van die spinstroop samestelling en spinparameters soos die oplosmiddel tot nieoplosmiddel verhouding, lumen-vloeistof verhouding, opneemspoed, spinstroop ekstrusie tempo en hittebehandeling op membraan morfologie en werkverrigting is ondersoek. Die gespinde vesels toon ’n sponsagtige struktuur sonder die teenwoordigheid van enige mikroleemtes wat voordelig is vir tru-osmose toepassings. Die holvesel membrane het aanvaarbare brakwater ontsoutings werkverrigting. Statistiese analise is gebruik in die generasie van produksieformulasies vir die produksie van brakwater ontsoutingsmembrane met verbeterde retensie en vloed. ’n Drie-vlak driefaktoriaal ontwerp is tydens die studie gebruik om die effek van spinparameters (oplosmiddel tot nie-oplosmiddel verhouding, lumen vloeistof verhouding, en lug-gaping) te ondersoek. ’n Regressie vergelyking is suksesvol daargestel en gebruik om voorspelbaar membrane met goeie werkverrigting binne die limiete van die studie te produseer. Die tru-osmose werkverrigting van die membrane was goed: die sout retensie het tussen 96 en 98% gelê en die permeaatvloed tussen 60 en 46 L/m2.d (2 000 ppm NaCl, 20 bar, 24oC).
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die studie het ten doel gehad om selluloseasetaat holveselmembrane vanaf eerste beginsels vir brakwaterontsouting te ontwikkel. Die ontsoutingsvlakke van die membrane moet tussen 95 en 96% lê met ’n aanvaarbare waterproduksievermoë. Aanvaarbare deursneë vir die holvesels is eerstens bepaal deur platval-berekeninge met behulp van die inmekaarvouvergelyking uit te voer (dunwand aanname). Hierna is drukval oor die wand van die holvesel met behulp van die Hagen-Poiseuille vergelyking bepaal ten einde vas te stel hoe dit die gekose dimensies sal beïnvloed. Daar is vasgestel dat vesel deursneë tussen 222 en 247 um met ’n 50 um wand aanvaarbaar is. Vesels met hierdie dimensies het ’n hoë weerstand teen inval getoon by brakwater opereringsdrukke tussen 20 en 25 bar. ’n Droë-nat spintegniek is in die voorbereiding van die holveselmembrane gebruik. Holvesel membrane is met ’n selluloseasetaat stroop gespin wat uit ’n oplosmiddel (asetoon) en nieoplossmiddel (formamied) bestaan het. Die effek van die spinstroop samestelling en spinparameters soos die oplosmiddel tot nieoplosmiddel verhouding, lumen-vloeistof verhouding, opneemspoed, spinstroop ekstrusie tempo en hittebehandeling op membraan morfologie en werkverrigting is ondersoek. Die gespinde vesels toon ’n sponsagtige struktuur sonder die teenwoordigheid van enige mikroleemtes wat voordelig is vir tru-osmose toepassings. Die holvesel membrane het aanvaarbare brakwater ontsoutings werkverrigting. Statistiese analise is gebruik in die generasie van produksieformulasies vir die produksie van brakwater ontsoutingsmembrane met verbeterde retensie en vloed. ’n Drie-vlak driefaktoriaal ontwerp is tydens die studie gebruik om die effek van spinparameters (oplosmiddel tot nie-oplosmiddel verhouding, lumen vloeistof verhouding, en lug-gaping) te ondersoek. ’n Regressie vergelyking is suksesvol daargestel en gebruik om voorspelbaar membrane met goeie werkverrigting binne die limiete van die studie te produseer. Die tru-osmose werkverrigting van die membrane was goed: die sout retensie het tussen 96 en 98% gelê en die permeaatvloed tussen 60 en 46 L/m2.d (2 000 ppm NaCl, 20 bar, 24oC).
Description
Thesis (MScEng (Process Engineering))--University of Stellenbosch, 2010.
Keywords
Dissertations -- Process engineering, Theses -- Process engineering, Cellulose acetate, Hollow-fine-fibre, Elastic buckling, Hollow-fine-fibre
membranes