Flux Decline and Transport Resistances in Direct Contact Membrane Distillation Process

ความต้านทานและการลดลงของฟลักซ์ในกระบวนการกลั่นผ่านเยื่อแผ่น

Name: Surapit Srisurichan

Organization : King Mongkut's University of Technology Thonburi. Faculty of Engineering. Chemical Engineering

Name: สุรพิชญ์ ศรีสุริฉัน

Organization : มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี. คณะวิศวกรรมศาสตร์. สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี

keyword: Cake Filtration

; Membrane Distillation

; Fouling

; Resistance

; Temperature Polarization

; เค้กฟิลเตรชัน

; ฟาวลิ่ง

; กระบวนการกลั่นผ่านเยื่อแผ่น

Abstract: The objectives of this thesis are to elucidate flux decline, transport mechanisms and resistances in direct contact membrane distillation (DCMD) process. Four sets of experiments were conducted using a flat sheet module with DI water, humic acid solution, silica suspension, and dye solutions as feeds. The membranes employed were 0.22 ?m PVDF and 0.2 ?m PTFE. The first set (DI water experiment) was designed to study the heat and mass transfer in DCMD. Humic acid solution was employed as feed in the second set of experiment, which aimed to study the fouling mechanism and the influence of fouling layer on DCMD. Silica suspension was the feed in the third set, which was performed to reveal the effect of operating parameters on fouling. In the last set, dye solutions were chosen to be the model feed to study for the potential of DCMD on wastewater treatment. In the DI water experiment, the mass transfer models based on Dusty gas model were applied to fit the flux data. The molecular diffusion was found to be the mass transfer mechanism in the membrane. Both mass and heat flux increased with feed temperature and crossflow velocity. The major resistance of the system was found to be in the feed boundary layer at low crossflow velocity and in the membrane at high crossflow velocity. When humic acid solution containing CaCl2 was employed as feed, the flux characteristic can be described by cake filtration model. The deposition of humic acid coagulate as a cake layer presented additional heat transfer resistance to the system. This decreased the temperature at the membrane surface (feed side). Thus, the driving force was reduced, and resulted in flux decline. The fouling resistance increased significantly with time. The resistance of fouling layer was significant with the value comparable to the resistance of the membrane at the end of the experiment. In membrane distillation of silica suspension, the cause of flux decline was the cake layer of silica particles formed on the membrane surface. The rate and extent of flux decline were found to depend mainly on the rate of deposition and rate of removal of silica particles. Operating at high temperature led to the higher flux, and also larger amount of silica particles on the membrane surface. Similarly, the higher the silica concentration, the higher the deposition rate, and the higher the rate and extent of flux decline. Increase in crossflow velocity enhanced the shear stress and consequently the removal rate. As a result, both rate and extent of flux decline were decreased. The removal rate was found to be proportional to the feed crossflow velocity to the power of 0.80. Application of DCMD for treatment of dye effluent gave total rejection and the water flux ranging between 36 – 54 L/m2.hr, which was appealing compared to nanofiltration/reverse osmosis. Flux decline was found when the PVDF membrane was employed. Cleaning with both acidic and basic solutions were not effective. On the contrary, flux decline was negligible for PTFE membrane and cleaning was not required.

Abstract: วิทยานิพนธ์ฉบับนี้มีจุดประสงค์เพื่อศึกษาการเกิดการลดลงของฟลักซ์ การถ่ายเทความร้อน การถ่ายเทมวล และความต้านทานต่อการถ่ายเท ในกระบวนการกลั่นผ่านเยื่อแผ่นแบบสัมผัสโดยตรง (DCMD) การทดลองได้จัดทำในโมดูลแบบแผ่น โดยใช้เยื่อแผ่น 2 ชนิด คือ เยื่อแผ่น PVDF (0.22 ?m) และ เยื่อแผ่น PTFE (0.2 ?m) การทดลองสามารถแบ่งออกเป็น 4 ชุด ตามชนิดของสารป้อน อันได้แก่ น้ำบริสุทธิ์ สารละลายกรดฮิวมิก สารแขวนลอยซิลิกา และ สารละลายสีย้อม ชุดการทดลองที่มีน้ำบริสุทธิ์เป็นสารป้อนมีจุดประสงค์เพื่อศึกษากลไกการถ่ายเทมวลโดยใช้แบบจำลอง Dusty gas ในการวิเคราะห์ จากการทดลอง พบว่าการถ่ายเทมวลผ่านเยื่อแผ่นเป็นแบบการแพร่โมเลกุล (molecular diffusion) ค่าฟลักซ์ของการถ่ายเทมวล และการถ่ายเทความร้อนมีค่าเพิ่มขึ้น ตามอุณหภูมิสารป้อน และความเร็วของสารป้อน ส่วนความต้านทานของระบบขึ้นกับอุณหภูมิ โดยความต้านทานหลักจะอยู่ในชั้นขอบเขตด้านสาร ป้อนในระบบที่มีความเร็วสารป้อนต่ำ และในชั้นเยื่อแผ่นในระบบที่มีความเร็วสูง ตามลำดับ ชุดการทดลองสารละลายกรดฮิวมิคถูกออกแบบเพื่อใช้ในการศึกษากลไกการเกิดฟาวลิ่ง จากการทดลองพบว่าการเกิดฟาวลิ่งใน DCMD เป็นไปตามกล ไกแบบเค้กฟิลเตรชัน (cake filtration) การสะสมของกรดฮิวมิกที่บริเวณผิวของเยื่อแผ่นและรวมตัวกันเป็นชั้นเค้กเป็นสาเหตุของการลดลงของ ฟลักซ์ ชั้นเค้กจะทำให้ความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนของระบบเพิ่มขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้อุณหภูมิบริเวณผิวของเยื่อแผ่นทางด้านป้อนลดลง ด้วยเหตุนี้แรง ขับดันของระบบมีค่าลดลง และเกิดการลดลงของฟลักซ์ ความต้านทานของชั้นฟาวลิ่งมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อตามเวลาการทำการทดลอง และมีค่าใกล้เคียงกับ ความต้านทานของเยื่อแผ่นหลังจาก 9 ชั่วโมง ในการพิจารณาถึงผลกระทบของพารามิเตอร์ต่างๆ ต่อการเกิดฟาวลิ่ง ด้วยการทดลองที่มีสารแขวนลอยซิลิกา เป็นสารป้อนพบว่า อัตราและระดับการ เกิดฟาวลิ่งขึ้นกับอัตราการพาอนุภาคซิลิกาไปสู่ผิวเยื่อแผ่น และอัตราการหลุดออกของอนุภาคซิลิกา จากผิวเยื่อแผ่นเป็นหลัก กล่าวคือเมื่ออุณหภูมิด้าน สารป้อนมีค่าสูง ค่าฟลักซ์ของระบบจะมีค่าสูงขึ้น และทำให้ปริมาณของอนุภาคที่ถูกพาไปยังผิวเยื่อแผ่นมีปริมาณมากขึ้น ในทำนองเดียวกันในระบบ ที่มีความเข้มข้นของสารป้อนสูง ก็จะมีปริมาณของอนุภาคที่ถูกพาไปผิวเยื่อแผ่นมากขึ้น ซึ่งการที่ปริมาณของอนุภาคที่ไปสู่ผิวเยื่อแผ่นมีปริมาณมากนี้เอง ทำให้อัตราและระดับการเกิดฟาวลิ่งสูงขึ้น ส่วนการเพิ่มความเร็วการไหลของสารป้อนจะส่งกลับกัน เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของแรงเฉือน (shear stress) ทำให้อัตราการหลุดออกของอนุภาคมีมากขึ้น และส่งผลให้อัตราและระดับการเกิดฟาวลิ่งลดลง นอกจากนี้จากการทดลองพบว่าการหลุดออกของอนุภาคเป็นฟังค์ชั่นกับความเร็วการไหล ยกกำลัง 0.80 การทดลองโดยใช้สารละลายสีย้อมเป็นสารป้อนมีจุดมุ่งหมายเพื่อ ใช้ในการศึกษาการประยุกต์ใช้ DCMD กับการบำบัดน้ำทิ้ง ซึ่งพบว่ามีค่ารีเจคชันร้อยละ 100 และ ค่าฟลักซ์ของน้ำอยู่ในช่วง 36-54 L/m2.hr ในการทดลอง หากใช้เยื่อแผ่นชนิด PVDF จะพบการลดลงของฟลักซ์ ทั้งนี้เนื่องจากการเกิดการดูด ซับของโมเลกุลสีบนเยื่อแผ่น นอกจากนี้การล้างเยื่อแผ่นทั้งด้วยสารละลายกรด และสารละลายเบส ไม่สามารถทำให้ฟลักซ์เพิ่มขึ้นได้ ส่วนการทดลองด้วย เยื่อแผ่นชนิด PTFE ค่าฟลักซ์มีค่าค่อนข้างคงที่ตลอดการทดลอง

King Mongkut's University of Technology Thonburi

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Ratana Jiraratananon

Role: Advisor

Name: A.G. Fane

Role: Advisor

Name: รัตนา จิระรัตนานนท์

Role: อาจารย์ที่ปรึกษา

Created: 2005

Modified: 2009-01-30

Issued: 2009-01-07

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

ISBN: 9741850042

CallNumber: CHE1688

eng

DegreeName: Master of Engineering

Level: Master's Degree

Descipline: Chemical Engineering

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

©copyrights King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	CHE1688.pdf	2.12 MB	31	2024-12-20 13:24:30
2	CHE1688ab.pdf	62.88 KB	9	2018-05-10 20:29:12
3	CHE1688aben.txt	3.65 KB	13	2018-05-10 20:29:13
4	CHE1688abth.txt	3.37 KB	9	2018-05-10 20:29:13

ใช้เวลา

-0.95657 วินาที