25279

ساخت و ارزيابي غشاي نانوكامپوزيتي مورد استفاده در بيوراكتور غشايي با عملكرد در شرايط لجن حجيم‌شده

دكتري

مهندسي شيمي

1390

1398/12/10

دكتر تورج محمدي

دكتر نرگس فلاح

مهندسي شيمي، نفت و گاز

نياز روزافزون به منابع آب، منجر به بهره‌برداري بيشتر از روش‌هاي متعدد تصفيه آب و پساب شده است. بخشي از چالش‌هاي اين حوزه از جمله حذف مؤثرتر آلاينده‌ها و كاهش فضاي مورد نياز، با استفاده از فناوري‌هايي مانند بيوراكتورهاي غشايي رفع گرديده است. اين فناوري‌ با محدوديت‌هايي از جمله گرفتگي غشاها مواجه است. بخش عمده‌اي از راهبردهاي به كار گرفته شده براي رفع اين محدوديت، به اصلاح غشاها مرتبط مي‌شود. پليمرها در ساخت اين غشاها، به‌عنوان پركاربردترين مواد مطرح هستند؛ با اين‌حال در اكثر موارد برهمكنش‌هاي نامطلوب بين پليمرهاي آب‌گريز و اجزاي لجن فعال، مشكلات كاهش عملكرد را به همراه دارد. در اين شرايط بهره‌گيري از آبدوست‌كننده‌ها در توليد غشا يا اصلاح شيميايي/فيزيكي غشاهاي آب‌گريز به‌عنوان راه‌حل مطرح شده است. بر همين اساس طراحي و ساخت غشا با در نظر گرفتن خواص ساختاري و عملكردي مطلوب، نياز به شناخت دقيق پديده‌هاي دخيل در شكل‌گيري غشا (سينتيك و ترموديناميك) و در حد امكان دستيابي به مدل‌هاي رياضي مبتني بر نتايج تجربي دارد. در اين پژوهش ساخت و اصلاح غشاهاي نانوكامپوزيتي پلي‌وينيليدن‌فلورايد (PVDF) و بررسي عملكرد آن در بيوراكتور غشايي مورد بررسي قرار گرفت. غلظت پليمر و حلال مورد نياز در مرحله ابتدايي به‌منظور شناخت و كنترل شرايط شكل‌گيري غشا از بين دو حلال دي متيل سولفوكسايد (DMSO) و ان متيل-2-پيروليدون (NMP) در نظر گرفته‌شده، انتخاب‌ شد. به دليل عدم‌ دستيابي به آب‌دوستي لازم در مرحله قبل، اختلاط پليمر آب‌دوست پلي‌وينيل‌پيروليدون (PVP) با نسبت‌هاي مختلف و در ادامه، افزودن نانو ذرات TiO2 بررسي گرديد. محدوده‌هاي تقريبي غلظت با روش يك فاكتور در يك‌زمان بررسي و غلظت‌هاي پليمر اصلي در محدوده 12% و پليمر آب‌دوست و نانو ذرات TiO2 به ترتيب در محدوده‌هاي كمتر از 5/4% و 5/0% وزني نسبت به PVDF انتخاب گرديد. با طراحي آزمايش به روش پاسخ سطح و آزمون پارتو، اهميت فاكتورها، بيشينه پاسخ‌هاي مطلوب و مدل‌هاي برازش شده و ضرايب مربوطه استخراج و ارائه گرديد. با در نظر گرفتن شرايط لجن حجيم شده، غشاي منتخب، مدوله‌شده و با يك غشاي تجاري، در بيوراكتور غشايي در شرايط لجن نرمال و حجيم‌شده بررسي و مقايسه گرديد. مقاومت غشا، مقاومت كيك، مقاومت برگشت‌پذير و برگشتناپذير و درنهايت مقاومت‌هاي گرفتگي كل در هر دو شرايط لجن بررسي شد. در حالت لجن نرمال، با ميزان محصولات ميكروبي محلول (SMP) كل mg/l 50، عبوردهي شار به 27 ليتر بر متر مربع ساعت (LMH) رسيد. در شرايط لجن حجيم شده ميزان SMP به mg/l 223 رسيد و شار بحراني تا LMH 9 كاهش يافت. در اين تحقيق، ميزان بالاي SMP در بيوراكتورهاي غشايي به‌عنوان مهمترين عامل در گرفتگي غشا تعيين گرديد. از نتايج اين تحقيق مي‌توان براي پيش‌بيني گرفتگي غشا در حالت لجن حجيم شده و طراحي (در بازه اين تحقيق) و ساخت غشا با ويژگي‌هاي منتخب براي شار عبوري و نسبت بازيابي شار (FRR)، بهره‌برداري نمود.

1400/07/03

Fabrication and Performance Evaluation of Nanocomposite Membrane, for application in MBR under bulking Sludge Condition

2/28/2021 12:00:00 AM

The increasing demand for water resources has led to greater utilization of various water and wastewater treatment methods. Some of the challenges in this area have been addressed, such as more efficient removal of pollutants and reduction of space required by integrated methods such as membrane bioreactors. The technology faces limitations, including the fouling of the membranes. Much of the strategies used to address this limitation are related to membrane modifications. Polymers are one of the most widely used materials in the fabrication of membranes, However, in most cases undesirable interactions between hydrophobic polymers and activated sludge components can lead to performance loss problems. In this situation, the use of hydrophilic agents in membrane production or chemical/physical modification of hydrophobic membranes has been proposed as a solution. Accordingly, the design and fabrication of the membrane, taking into account the desired structural and functional properties, requires accurate understanding of the phenomena involved in membrane formation (kinetics and thermodynamics) and the availability of mathematical models based on empirical results. In this study, fabrication and modification of PVDF nanocomposite membranes and their performance in membrane bioreactor were investigated. The required polymer and solvent concentrations were initially selected to identify and control the membrane formation conditions between the two DMSO and NMP solvents. Due to the lack of required hydrophilicity in the previous step, mixing of hydrophilic PVP polymer with different ratios was investigated and further addition of TiO2 nanoparticles was investigated. Approximate concentration ranges were investigated by one-factor at a timemethod at one time and the concentrations of the main polymer in the range of 12% and the hydrophilic polymer and TiO2 nanoparticles were selected in the range of less than 4.5% and 0.5% by weight of PVDF, respectively. By designing the experiment using Pareto surface response method and Pareto test, the importance of factors, maximum desired responses and fitted models were extracted and presented. Considering the bulk sludge conditions, the selected modulated membrane and a commercial membrane were compared and compared in the membrane bioreactor under normal and bulk sludge conditions. Membrane, cake, irreversible and irreversible resistance, and finally, total clogging resistances were evaluated in both sludge morphology. In the normal sludge state, with a total SMP of 50 mg/l, the flux throughput reached 27 LMH. Under bulk sludge, the SMP reached 223 mg/l and the critical flux decreased to 9 LMH. In this study, high level of SMP in membrane bioreactors was identified as the most important factor in membrane clogging. The results of this study can be used to predict membrane fouling in bulking sludge and design (within the scope of this study) and fabrication of membranes with selected characteristics for the flux and flux recovery ratio.

بيوراكتور غشايي , گرفتگي , بهينه‌سازي , نانوذرات دي اكسيد تيتانيوم , لجن فعال حجيم‌شده , محصولات ميكروبي محلول

Bulking Activated Sludge, TiO2 Nano Particle, Optimization, Soluble Microbial Products, Membrane Bioreactor, Fouling , . Bulking Activated Sludge , TiO2 Nano Particle , Optimization , Soluble Microbial Products , Membrane Bioreactor , Fouling