Fouling layer formation by flocs in inside-out driven capillary ultrafiltration membranes

Dr.-Ing. Lerch, André

Dateibereich 19873

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Das Interesse an der Mikro- und Ultrafiltration (MF und UF) zur Aufbereitung von Trinkwasser ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Bei der direkten Aufbereitung von Oberflächenwässern mittels UF ohne weitere Vorbehandlung treten jedoch limitierende Faktoren auf. Von Bedeutung ist insbesondere das sog. organische Fouling, d. h. die Akkumulation zurückgehaltener organischer Stoffe in Deckschichten und Adsorption gelöster organischer Stoffe an der Membranwand. Letzteres ist i. d. R. für den Betrieb einer UF besonders problematisch. Zur Vermeidung bzw. Minimierung sind verschiedene Vorbehandlungsschritte vorstellbar, wobei diese Arbeit den Schwerpunkt auf die Verfahrenskombination Flockung und UF legt. Die Flockung ist ein etabliertes Verfahren zur Partikelentfernung und zur Entfernung organischer Wasserinhaltsstoffe. Aus ingenieurstechnischer Sicht ist eine Flockung relativ einfach mit Membranverfahren zu kombinieren und somit gut für die Verfahrenskombination geeignet. Zur Erreichung einer geeigneter Leistungsfähigkeit der Verfahrenskombination hinsichtlich ökonomischer und verfahrenstechnischer Aspekte ist es notwendig zu verstehen, welche limitierenden Faktoren existieren, wann sie von Bedeutung sind und wie ihre Auswirkungen vermieden werden können. Der in dieser Hinsicht wesentliche Aspekt ist, wie Deckschichten in dieser Verfahrenskombination gebildet werden. Die Bildung von Deckschichten durch solide Partikel ist gut beschrieben, aber das Wissen hierüber ist noch nicht weit genug entwickelt um dies auch direkt auf größere und poröse Flockenaggregate zu übertragen. Ziel der vorgelegten Dissertation ist es daher, den Deckschichtenaufbau in von Innen nach Außen betriebenen UF-Kapillarmembranen von geflockten Rohwässern zu beschreiben. Hierzu wurde ein Modell zur Beschreibung der Fluidströmung durch eine einzelne Kapillare mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) aufgestellt. Die zylindrische Geometrie, die Ausrichtung und die Betriebsbedingungen, sowie die physikalischen Eigenschaften der Membran können hierbei beliebig gewählt werden. Die Bestimmung des Strömungsfeldes basiert auf der numerischen Lösung der Navier-Stokes- und Kontinuitätsgleichungen. Im Resultat sind alle lokalen Geschwindigkeiten und Drücke innerhalb der Kapillare für definierte Randbedingungen bekannt. Mittels Bilanzen der an die Flocken im Strömungsfeld ortsabhängigen angreifenden Kräfte und Momente wurden entsprechende Trajektorien aufgestellt. Der Einfluss der Membranwand und der Flockenkonzentration wurde hierbei berücksichtigt. Die Trajektorien wurden zur Beschreibung bevorzugter Ablagerungsorte von Flocken unterschiedlicher Größe und Porosität genutzt. Die ermittelten Flockengeschwindigkeiten wurden im Weiteren zur Beschreibung von Konzentrationsprofilen innerhalb der Kapillare auf Basis der Konvektions-Diffusionsgleichung genutzt. Auf Grund der sich ablagernden Deckschichten kommt es im Filtrationsbetrieb zu steigenden lokalen Widerständen an der Membranwand, welche an Hand des Modells entlang der Kapillare bestimmt werden. Durch den damit notwendigen erhöhten Druck für die Durchströmung der Membranwand kommt es dann entsprechend zu einer Veränderung der Strömungsbedingungen und des Flockentransportes, sowie den daraus resultierenden Ablagerungs-vorgängen. Unter den gegebenen Modellvorstellungen konnten neue Einsichten und qualitative Aussagen zur Deckschichtbildung durch poröse Flockenaggregate in von innen nach außen durchströmten Kapillarmembranen und Empfehlungen für einen angepassten Betrieb getroffen werden. Hierbei ist insbesondere der sogenannte top-down dead-end oder cross-flow Betrieb bei der Filtration von Suspensionen mit 'beschwerten' Flockenaggregaten zu nennen.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Membrane, ultrafiltration, UF, coagulation, floc transport, fouling, hybrid processes, CFD, FEM
Beitragende:
Prof. Dr.-Ing. Gimbel, Rolf [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr.-Ing Uhl, Wolfgang [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Prof. Dr. Fane, Anthony G. [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
28.02.2008
Dokument erstellt am:
05.05.2008
Promotionsantrag am:
10.09.2007
Dateien geändert am:
02.05.2008
Medientyp:
Text