Micro- and ultrafiltration membranes for wastewater treatment and microalgae filtration: influence of membrane properties and operational condition on membrane fouling

Promovendus/a: Lisendra Marbelia

Promotor: Prof. dr. ir. Ivo Vankelecom

Het gebruik van membranen voor vast-vloeistof scheidingen is alom gekend. In dit doctoraat, worden twee applicaties van micro- en ultrafiltratie membraan processen besproken: voor afvalwater (i.e. actief slib filtratie in een aerobe membraan bioreactor (MBR)) en microalgen filtratie. Daar MBRs al een goed gekende technologie zijn in vergelijking met het gebruik van membraan technologie in microalg processen, zijn membraan-voeding interacties onvermijdbaar en uitdagend in beide applicaties. Dit fenomeen, gekend als membraan vervuiling, uit zich in een lagere permeaat flux tijdens de filtratie.

Het ultieme doel van deze thesis is beter inzicht geven in membraan vervuiling voor actief slib en microalg filtratie, en het definiëren van strategieën om vervuiling te voorkomen door gebruik te maken van de membraan eigenschappen en de filtratie parameters. Drie grote stappen werden ondernomen voor het vooropgestelde doel te bereiken: (1) synthese of gebruik en karakterisatie van membranen met verschillende eigenschappen (i.e. materialen, porositeit en oppervlakte porositeit, oppervlakte lading, hydrofiliciteit en oppervlakte patroon), (2) filtratie van actief (MBRs) of verschillende microalg soorten met verschillende opstellingen en filtratie condities (i.e. flux, filtratie modus, beluchting, vibratie, en toegepaste chemische zuivering) en (3) filtratie en vervuiling analyse, hoofdzakelijk gebaseerd op permeanties en trans membraan druk (TMP) waarden en fysico-chemische karakterisatie van vervuilde membranen. Tot slot, werd de correlatie tussen deze drie punten geanalyseerd.

In dit eerste deel van het onderzoek werden labo PVDF membranen gemaakt via fase scheiding en commerciële PVC/silica gemengde matrix membranen gebruikt om vervuiling fenomenen te bestuderen in MBRs. PVDF membranen werden geproduceerd met verschillende eigenschappen, i.e. poriën grootte, porositeit, en zuiver water permeantie door de synthese parameters te variëren. De invloed van drie fase scheiding parameters (polymeer concentratie, additief, en evaporatie tijd) op de membraan eigenschappen werd onderzocht en dan gelinkt aan het vervuiling gedrag. De resultaten tonen dat meer poreuze membranen beter zijn door een hogere kritische flux en (matig) hoger constante permeantie in lange termijn testen. Hoewel, het voordeel van deze poreuze membranen verdwijnt na een korte periode door zware poriën blokkade van de grootste poriën. Voor beide membraan materialen is het duidelijk dat te grote poriën niet bevorderlijk zijn en isoporeuze membranen een betere filtratie performantie kunnen opleveren.

Naast membraan porositeit, werd de invloed van membraan oppervlakte structuren en vibraties op de MBR performantie ook onderzocht door middel van vlakke en geribde PVC/silica gemengde matrix membranen. Twee hoofd voordelen worden bekomen door geribde membranen: hogere zuiver water permeabiliteit door extra actieve filtratie oppervlak van de ribbels, en een dik membraan met goede mechanische integriteit. In de vibratie modus, was de membraan vervuiling verlaagd voor zowel de vlakke als geribde membranen. Hoewel, de huidig dimensies van de ribbels in combinatie met de toegepaste vibratie geen voordeel gaf. Dus verder onderzoek is nodig voor het optimaliseren van de ribbel dimensies en de tangentiële stroming snelheid aan het membraan oppervlak.

In het tweede deel van dit onderzoek werd het gebruik van een microalgen fotobioreactor (PBR) onderzocht, voor het opzuiveren van het permeaat van MBRs. Het membraan in de PBR was in staat om zowel microalgen te cultiveren als te voor-oogsten. In vergelijking met conventionele PBRs, liet de MPBR hogere verdunning snelheden toe wat resulteerde in hogere biomassa concentraties en hogere productiviteit. Nutriënten konden ook opgenomen worden door de microalgen in zowel PBR en MPBR. Hoewel de nutriënt verwijderingsefficiëntie omlaag ging, met toenemende verdunning snelheid, betekend dat een balans moet gevonden worden tussen een goede biomassa productiviteit met een behoorlijke nutriënt verwijderingsefficiëntie.

Het derde deel van dit onderzoek is gefocust op membraan applicaties voor microalg filtratie. Membranen gebaseerd op PAN met verschillende porositeit en oppervlakte lading werden onderzocht in dit onderzoek voor de filtratie van verschillende microalg soorten. Verschillende filterabiliteiten van deze soorten werd aangetoond in zowel dead-end als ondergedompelde filtratie, die gelinkt kon worden aan de vervuiling weerstandswaarden die worden beïnvloed door de cel vorm en grootte, celwand sterkte, en waarschijnlijk ook de TEP inhoud. Een meer hydrofiel oppervlak, van de gemodificeerde membranen, induceerde lagere membraan-oplossing interacties en resulteerde in lagere vervuiling snelheden in het begin van de filtratie. Hoewel de voordelen van de hydrofiele membranen leken af te nemen met de filtratie duur, wijzend op de dominantie van de gevormde vervuilingslaag op de algemene performantie.