27593

ساخت و ارزيابي غشاهاي الياف توخالي نانوكامپوزيتي به‌منظور تصفيه پساب در بيوراكتور اسمزي مستغرق

دكتري

مهندسي شيمي

1397

1401/9/26

دكتر تورج محمدي

Prof. Mathias Ulbricht

مهندسي شيمي

تصفيه آب و پساب ازجمله مهم¬ترين معضلات بشر به‌خصوص در منطقه خشك خاور¬ميانه محسوب مي¬شود. در بين فناوري¬هاي مورداستفاده براي تصفيه آب و پساب، فناوري¬هاي غشايي از اهميت ويژه¬اي برخوردارند. در اين بين، بيوراكتور غشايي (MBR) ازجمله فرآيند¬هاي پيشرو در زمينه تصفيه پساب صنعتي و فاضلاب شهري محسوب مي¬شود كه در آن بار آلي پساب توسط ميكروارگانيسم¬ها مصرف و درنهايت توسط غشا پالايش مي¬شود تا آبي باكيفيت مناسب براي مصارف كشاورزي ارائه ¬دهد. از سوي ديگر فرآيند اسمز مستقيم (FO) فرآيندي جديد است كه با استفاده از فشار اسمزي با انرژي مصرفي پايين امكان كاهش شوري آب را فراهم مي‌كند. با تلفيق فناوري MBR و FO مي‌توان فرآيند بيوراكتور غشايي اسمزي را معرفي نمود كه در آن به‌طور همزمان امكان تصفيه پساب و كاهش شوري آب فراهم مي¬شود. در اين فرآيند، غشايي داراي لايه انتخاب‌گر در داخل بيوراكتور قرار مي¬گيرد كه توسط آن، آب تصفيه‌شده در بيوراكتور غشايي در تماس غير مستقيم با محلول كششي حركت مي‌كند. بدين ترتيب هم پساب با حداقل انرژي تصفيه مي‌شود و هم محلول كششي كه مي‌تواند آب دريا يا جريان غليظ RO باشد رقيق و با انرژي كمتري در اسمز مستقيم تصفيه مي‌گردد. به‌طوركلي بيوراكتور غشايي اسمزي به‌عنوان پيش‌تصفيه واحد اسمز معكوس معرفي ¬مي¬شود كه جهت¬گيري غشا در آن به دو حالت لايه فعال به سمت بيوراكتور (AL-FS) و لايه فعال به سمت محلول كششي (AL-DS) مي‌تواند باشد. با توجه به ماهيت ميكروبي بيوراكتور به‌طور مرسوم از جهت¬گيري AL-FS استفاده مي¬شود كه در آن گرفتگي كمتر باشد اما در مقابل پلاريزاسيون غلظتي نمك در داخل محيط متخلخل زير لايه سبب كاهش نيرومحركه اسمزي مي¬شود. در اين تحقيق، با استفاده از نانوذرات ضدميكروبي نقره خالص و اصلاح‌شده، خاصيت ضد گرفتگي به غشاي زير لايه افزوده شد و در اقدامي نوين لايه فعال انتخاب‌گر در لايه داخلي غشا ساخته شد. بدين ترتيب امكان استفاده از حداكثر نيرومحركه اسمزي فراهم شد و گرفتگي غشا كاهش يافت. در فرآيند بيوراكتور غشايي اسمزي، غشا¬ها توانستند تا بيش از 98 درصد در حذف COD عمل كنند. همچنين ميزان حذف نيترات و فسفات به ترتيب به بيش از 98 و 96 درصد رسيد. در مطالعات بيوراكتور غشايي اسمزي همواره تمركز بر تصفيه پساب بوده درحالي‌كه در اين پژوهش به كاهش شوري محلول كششي نيز توجه شده است. بدين ترتيب پارامتري به نام شاخص بهره¬وري ويژه (SPI) معرفي شد كه نشان داد فرآيند بيوراكتور غشايي با غشا¬هايي كه در آن وجود دارد چقدر توانايي كاهش شوري را دارد. اين پارامتر نشان داد كه غشاي PES/Ag.Thl-PVP با SPI برابر با g.l-1.m-2.h-12/778 مي‌تواند با سطح m2 50 جريان m3/h 1 را از TDS برابر با mg/l 58000 به mg/l 20000 برساند و اين به معني كاهش مصرف انرژي در اسمز معكوس از فشار 61 بار و انرژي مصرفي kWh/m3 32/14 به فشار 8/17 بار و درنتيجه ميزان انرژي مصرفي kWh/m3 18/4 مي‌باشد.

1401/10/04

Fabrication and characterization of nanocomposite hollow fiber membranes for wastewater treatment via submerged osmotic membrane bioreactor

12/17/2023 12:00:00 AM

Water and wastewater treatment is one of the most important problems, especially in the arid region of the Middle East. Among the technologies used for water and wastewater treatment, membrane technologies are of particular importance. Meanwhile, Membrane Bioreactor (MBR) is one of the leading processes in the field of industrial and urban wastewater treatment, in which the organic load of the wastewater is consumed by microorganisms and finally filtered by the membrane to produce high-quality water, suitable for agricultural uses. On the other hand, the Forward Osmosis (FO) process is a new approach that allows to reduce water salinity by using osmotic pressure with low energy consumption. By combining MBR and FO technology, it is possible to introduce the Osmotic Membrane Bioreactor (OMBR) process, in which wastewater treatment and desalination are simultaneously possible at the same time. In this process, a membrane with a selective layer is placed inside the bioreactor, through which the treated water moves into the draw solution. In this way, both the effluent is treated with minimum energy and the draw solution, which can be sea water or concentrated RO flow, is diluted and treated with less energy thorugh forward osmosis. In general, the osmotic membrane bioreactor is introduced as the pre-treatment of the reverse osmosis unit, in which the configuration of the membrane can altered as one of the followings: the active layer facing the bioreactor (AL-FS) and the active layer facing the draw solution (AL-DS). Considering the microbial nature of the bioreactor, the AL-FS orientation is usually used, where there is less fouling, but in contrast, the concentration polarization of the salt inside the porous medium of the support layer causes a decrease in the osmotic pressure as the driving force. In this research, by using pure and modified antimicrobial silver nanoparticles, the anti-niofouling property was added to the support membrane, and in a new step, the selective layer was synthesized on the inner wall of the membrane. In this approach, it was possible to use the maximum osmotic pressure as the driving force and membrane fouling was decreased. In the osmotic membrane bioreactor process, the membranes were able to remove COD by more than 98%. Also, in further investigation, the amount of removal of nitrate and phosphate reached more than 98 and 96%, respectively. In studies of osmotic membrane bioreactor, the focus has always been on wastewater treatment, while in this research, reducing the salinity of the draw solution was also considered. In this way, a new parameter as Specific Performance Index (SPI) was introduced, which showed the ability of the membrane bioreactor process to reduce salinity. This parameter showed that the PES/Ag.Thl-PVP membrane with SPI of 778.2 g.l-1.m-2.h-1can transfer 1 m3/h flow from TDS equal to 58000 mg/l to mg/l with 50 m2 area. l will reach 20000 and this means reducing energy consumption in reverse osmosis from 61 bar pressure and 14.32 kWh/m3 energy consumption to 17.8 bar pressure and as a result, 4.18 kWh/m3 energy consumption.

بيوراكتور غشايي اسمزي , اسمز مستقيم , نانوذرات نقره , شاخص بهره¬وري ويژه

Osmotic membrane bioreactor , forward osmosis , silver nanoparticles , specific performance index

Ali Behboudi

Dr. Toraj Mohammadi