Reinforced hollow fiber nanofiltration membrane production for the removal of natural organic matter

Abstract

Hollow fiber membranes are used in water and wastewater treatment; wastewater reuse for a long time. Hollow fiber membrane configuration offers high packing density, have small footprints and filtration efficiency is high. Fouling is a problem in hollow fiber membranes like all types of membranes. Ideal membrane properties should include high permeability with enough mechanical strength and excellent stability to chemical attacks. Chemical composition of membrane solutions defines chemical properties of membranes. Permeability and mechanical strength of membranes strongly depend on membrane structure, which is primarily determined by phase inversion method used to fabricate membranes. Currently, two most commonly employed membrane module geometries are spiral-wound and tubular. The advantages of spiral wound modules are low cost and large specific surface area (m2/m3). Yet, they are highly susceptible to fouling by suspended matter, have high energy losses caused by headloss in spacer-filled channels and cannot be back-flushed. Tubular modules do not require as extensive pre-treatment and allow for back- flushing; however, they have low packing density and are expensive. In 2000s, researches focused on developing capillary nanofiltration modules to combine advantages of the two module types. These capillary membranes have been used at the pretreatment stage to decrease fouling in downstream spiral wound modules. A hollow fiber (HF) NF module is a viable alternative to both spiral wound and tubular membranes for treatment of low quality water sources. It has been estimated that an optimized HF NF module would give a one hundred percent increase in module performance compared to an optimized spiral-wound module configuration. The aim of this thesis to carry out a comprehensive study on the development of reinforced hollow fiber nanofiltration membranes. For this objective, reinforced membrane production made optimized and tried different support layers. Braided textile support made from PET is used to reach high mechanical strength in hollow fiber membranes. In this study, we evaluated PET and glass fiber supports. We noticed that glass fiber support layer is broken in time because of the material. Thus, support layer made with PET was found that it is more suitable for production of reinforced hollow fiber membranes. Hollow fiber membranes have the advantage of higher packing density compared to flat sheet and spiral wound configurations. However, low pressure tolerance of hollow fiber (HF) membranes limits their applications in nanofiltration. In this work, reinforced thin film composite (r-TFC) hollow fiber nanofiltration membranes were fabricated and evaluated in tests with water containing different salts and organic matter. Reinforced polysulfone ultrafiltration membranes were used as a support for the polyamide layer prepared from piperazine and trimesoyl chloride monomers. Interfacial polymerization conditions were optimized by selecting the trimesoyl chloride reaction time that gives the highest membrane performance. Specific permeate flux of 5.1 L/(m2∙h∙bar), MgSO4 rejection of 69 % and NaCl rejection of 26 % at the transmembrane pressure of 6 bars were obtained with optimized r-TFC membranes. Performance studies with water characterized by synthetic solution demonstrated removals of TOC, UV254, and turbidity in exceedance of 65 %, 80%, and 90 %, respectively. This work illustrates the feasibility of manufacturing r-TFC hollow fibers and using them in water treatment applications.

Son yıllarda ince boşluklu fiberleri (hollow fiber) membranlar yüksek paketleme oranları, daha az alan ihtiyaçları ve yüksek filtrasyon verimlerinden dolayı atık su geri kazanımında, içme suyu arıtımında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ancak, membran tıkanması ve fiber kırılmaları ince boşluklu fiber membran uygulamalarında ki iki ana problemdir. İdeal bir membran yüksek geçirgenlik, yeterli mekanik dayanım ve iyi düzeyde kimyasal dayanıma sahip olması gerekmektedir. Membranların kimyasal dayanıklılığı esas olarak membranın üretildiği çözeltide kullanılan kimyasal bileşimleri tarafından belirlenir. Membran geçirgenliği ve mekanik dayanım ise membranın üretim prosesinde uygulanan yöntem tarafından belirlenir. Günüzmüzde membran modülü olarak spiral sargılı ve tübüler modül tipleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Spiral sargılı modülleri avantajı düşük maliyetleri ve sağladıkları yüksek spesifik membran alanlarıdır (m2/m3). Bu tip modüller tıkanmaya askıda katı maddelere karşı oldukça hassastırlar. Modül içerisinde ki boşluk yapıcılar (spacer) yüksek yük kaybına neden olur ve geri yıkama özellikleri yoktur. Tübüler modülleri ileri ön arıtmaya ihtiyaç duymazlar ve geri yıkama yapılabilir özellikleri vardır. Ancak düşük paketleme oranından dolayı yatırım maliyeti yüksektir. 2000'li yılların başında araştırmacılar iki modül tipinin avantajlarını kombine etmek için kapiler nanofiltrasyon modüller geliştirmeye başlamıştır. Bu kapiler membranlar spiral sargılı modüllerin öncesinde tıkanmalarını azaltmak için ön arıtma olarak kullanılmışlardır. İnce boşluklu fiber nanofiltrasyon membranlar düşük kaliteli suların arıtılması için hem spiral sargılı hemde tübüler membranlara karşı uygulanabilir bir alternatif olmuştur. Optimize edilmiş ince boşluklu fiber modülü optimize edilmiş spiral sargılı modüle göre % 100'e yakın performans artışı sunabilir. Bu noktada tezin amacı güçlendirilmiş ince boşluklu fiberlerin nanofiltrasyon düzeyde üretilmesini sağlamaktır. Bu doğrultuda yapılan çalışmalarda güçlendirilmiş membran üretimi optimize edilmiş ve farklı destek tabakaları test edilmiştir. Güçlendirilmiş fiber membran üretiminde kullanılan örgülü destek tabakası yüksek mekanik dayanıma sahip olabilmesi için polietilen tetrafulorenden (PET) imal edilmiştir. Bu çalışmada hem cam elyaf hemde PET örgüler test edilmiş ve değerlendirilmiştir. Ancak yapılan çalışmalarda cam elyafından yapılan örgülü destek tabakasının zamanla kırıldığı gözlemlenmiştir. Bu nedenle PET malzemeden imal edilmiş destek tabakasının membran üretiminde kullanılması daha uygun olduğu görülmüştür. İnce boşluklu fiber membranlar düz ülaka ve spiral sargılı konfigürasyonlara göre daha yüksek paketleme miktarı sunabildiği için büyük avantaja sahiptir. Ancak ince boşluklu fiberlerin düşük başınc toleransı nanofiltrasyon uygulamalarında sınırlayan bir etken oluşturmaktadır. Bu çalışmada güçlendirilmiş ince film komposit ince boşluklu nanofiltrasyon membranlarının (r-TFC) üretilmesi ve farklı tuz ve organik madde içeren sular ile performans değierlendirmesi yapılmıştır. Güçlendirilmiş polisülfon membranlar poliamid kaplama için destek tabakası olarak kullanılmıştır. Ara yüzey polimerizasyonu şartları trimesol klorit (TMC) reaksiyon süresi optimizasyonu ile en yüksek performans elde edilmeye çalışılmıştır. Optimizasyon çalışmaları ile membran geçiş basıncı 6 bar'da iken spesifik membran akısı 5,1 L/(m2∙h∙bar), MgSO4 gideriminin % 69 ve NaCl gideriminin ise % 26'da olduğu görülmüştür. Sentetik su ile yapılan performasn çalışmalarında TOC, UV254 ve bulanıklık testlerinde sırasıyla % 65, % 80, % 90 giderim verimi elde edilmiştir. Bu çalışma r-TFC ince boşluklu fiber membranlarının üretilebilme ve su arıtmında uygulanabilirliği göstermektedir.