Membrane technology for environmental improvement

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

2. Lecture outline • Principles of membrane separations - flux, selectivity concepts • Survey of pressure driven water processes - applications • Electrodialysis process - application

3. הפרדות למטרות של: 1. טיהור מים 2. טיהור אויר 3. טיפול בשפכים 4. ייצור כמה טובה צריכה להיות ההפרדה? האם יש זרם פסולת? מה לעשות איתה? כמה אנרגיה צורכת ההפרדה? כמה מקום תופס הציוד?

4. עקרון של הפרדה ממברנלית Permeate Side, 2 Feed side, 1 A כח מניע משואת שטף דרך ממברנה: B התנגדות הממברנה למעבר של אותו מרכיב

5. כימיה של פולימריים • מבנה השרשרת – גמיש או קשיח? • קבוצות מתחברות (pendant groups ) – פולריים או לא?הידרופילי או לא?גדולים או קטנים?

6. מבנה של ממברנות

7. ממברנות אסימטריות

8. Mechanisms of selectivity • Size - sieving • Charge • chemical affinity - eg hydrophobicity/hydrophilicity • hydration-dehydration of ions • dielectric effects

9. 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

10. יתרונות של ממברנות • חדות ההפרדה • הפרדה בעלות אנרגיה יותר נמוכה (בד”כ אין שינוי פאזות) • הפרדות בלי חימום הזרם ובתנאים מתונים • מאפשר תהליך רציף • קל וגמיש לגמלון - מאוד מודולרי • גיוון ההפרדה ע”י שינוי תכונות הממברנה • אין צורך בתוספת כימיקלים • ניתן להכלאה מגרעות של ממברנות • קיטוב ריכוזים ואילוח • אורך חיים של ממברנה בתעשיה

11. Comparison of membrane module geometries

12. מאזני חומר בתהליך מונע לחץ QF = QP + Qc QF*CF = QP*CP + Qc*Cc Recovery = (QP/QF)*100 [%] Rejection = (1-CP/CF)*100 [%] Feed-water QF CF Membrane Permeate QP CP P Concentrate Qc Cc עמוד 76

13. יחס השבה (recovery , stage cut ) Qf, Qr Qp

14. ניצולת (YIELD ):שבר של מרכיב המוצר שמושב בזרם המוצר

15. 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

16. 1 bar = 105 N/m2 = 105 pascal = 100 Kpa = 14.5 psi A = angstrom = 10-4mm = 10-10 m Typical size of materials separated Pollen 100 mm Starch 10 mm Bacteria 1 mm Virus 0.05 mm Albumin 100 A Glucose10 A Na+, Cl-1 A עמוד 78

17. Membrane processes

18. Osmosis Equilibrium Reverse osmosis DP < DPo DP = DPo DPa > DPo Osmotic pressure Applied Pressure DP DPo DPa FreshSalineFreshSalineFreshSaline אוסמוזה ואוסמוזה הפוכה עמוד 77

19. משואות שטף של תהליכים ממברנליים RO, NF MF, UF GS, PV ED

20. ביטויים לסלקטיביות: • Liquid separations (RO, NF)R = 1 - Cp/Cf • Liquid separations (UF/MF) • Gas separations and pervaporation • Electrodialysistj = Ij/It

21. תהליכי הפרדה במים מונעי לחץ

22. 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)

23. RO – NF- יישומים

24. אלקטרודיאליזה • Ion exchange membranes – AEM quaternary amines, CEM – carboxylates, sulfonates • Plate and frame stacks

25. אלקטרו-דיאליזה Product water Brine Anode Cathode Cation Permeable membrane permeable membrane Saline feed water + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + - - - - - - - Anion Cation C C A A C A עמוד 77

26. משואות שטף של תהליכים ממברנליים RO, NF MF, UF GS, PV ED

27. ביטויים לסלקטיביות: • Liquid separations (RO, NF)R = 1 - Cp/Cf • Liquid separations (UF/MF) • Gas separations and pervaporation • Electrodialysistj = Ij/It

28. אלקטרודיאליזה , המשך

29. אנרגיה סגולית של תהליך • Pressure driven processes (filtration) • Electrically driven process

30. + means preferred process with respect to this issue

31. Desalination technologies: Relative advantages/disadvantages

32. תהליכי הפרדה במים מונעי לחץ

33. אולטרה-פילטרציה UF , מיקרופילטרציה - 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

34. משואות שטף של תהליכים ממברנליים RO, NF MF, UF GS, PV ED

35. ביטויים לסלקטיביות: • Liquid separations (RO, NF)R = 1 - Cp/Cf • Liquid separations (UF/MF) • Gas separations and pervaporation • Electrodialysistj = Ij/It

36. מי – שתיה: מזהמים • מיקרו-אורגניזמים: חיידקים, ציסטות מפרוטוזואה (ג'יררדיה, קריפטוספורידיום) וירוסים • DBP - תוצרי לואי מחיטוי – סילוק חומרים אורגניים – חומצות הומיות • חומרים אורגניים נדיפים • חומרי הדברה • מתכות כבדות • מלחים

37. בחירת תהליך לטיפול במים From National Drinking Water Clearinghouse

38. From National Drinking Water Clearinghouse

39. סיווג תהליכים לפי המזהם שהם מסלקים

40. Applications of membrane processes

41. Various Membrane-Based Processing Schemes for Metal Recovery and Water Reuse From D.B.Bhattacharyya et al., 1999. Eng Foundation Conference. Surfactant or Break Polymeric Complex Chelates Added Permeate Metals Water Metal Microfiltration ppt . Precipitation Permeate Water Surfactant /Polymer Recycle Ultrafiltration Heavy metal containing stream Dilute Waste; Nanofiltration Waste Containing High NaCl , Conc . Metal or Metal Chelate Permeate Containing High NaCl RO Conc . Metals Permeate for Recycle Recovered Solid or Liquid by Regeneration Functionalized Sorbent High Quality Permeate Ion Free Water Concentrated Metals ED