Static mixer assisted membrane filtration

Weik, Sarah; Panglisch, Stefan; Wessling, Matthias

doi:HT020538773

Static mixer assisted membrane filtration = Anwendung statischer Mischer in der Membranfiltration

Weik, Sarah^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sarah Weik, geb. Armbruster

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (ix, 191 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Englische und deutsche Zusammenfassung. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Panglisch, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-31

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07761
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/794592/files/794592.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
filtration (frei) ; membrane fouling (frei) ; static inserts (frei) ; turbulence promoter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Membranprozesse, insbesondere die Ultrafiltration, sind aus der Produktion von Trinkwasser und der Abwasseraufbereitung nicht mehr wegzudenken. Jedoch stellt das sogenannte Fouling für alle druckgetriebenen Membranverfahren ein Problem dar, da es ihre Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Ein Ansatz, Fouling zu verringern, ist die Modifikation der Membranoberfläche. Trotz intensiver Forschung konnte noch keine Membran entwickelt werden, auf der sich keinerlei Fouling ausbildet. In der hier vorliegenden Arbeit wird ein anderer Ansatz verfolgt: die gezielte Beeinflussung der Hydrodynamik im Membranmodul. Je nach konkreter Umsetzung kann dieser Ansatz in einem weiten Bereich von Membranmodulen und Anwendungen eingesetzt werden; ein Beispiel ist die Verwendung von turbulenter Strömung. Allerdings sind viele der in der Literatur diskutierten Möglichkeiten die Hydrodynamik zu verändern zu kompliziert, zu energieintensiv oder zu teuer, um sie industriell wirtschaftlich einsetzen zu können. Statische Mischer können leicht in den Strömungskanal von Rohrmembranen eingebaut werden, wo sie die Hydrodynamik im Membranmodul positiv beeinflussen. Sie lenken das Fluid um, lösen Sekundärströmungen aus und sorgen für eine bessere Durchmischung. Dabei wird auch die Scherrate erhöht und der Rücktransport von Partikeln in die Strömungsmitte verbessert, weshalb statische Mischer zur Foulingreduktion eingesetzt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung statischer Mischer in der Membranfiltration untersucht, wobei insbesondere die Auswirkungen von Form und Position der statischen Mischer auf Fouling, Rückhalt, Druckverlust und Energieverbrauch analysiert werden. Verschiedene Mischergeometrien wurden 3D-gedruckt und in der Filtration von Huminsäure- oder Silica-haltigen Feedlösungen untersucht. Die getesteten Geometrien reichen von einfachen und modifizierten verdrehten Bändern über schraubenförmige Einbauten zu bekannten Formen wie dem Kenics-Mischer. Zudem wurden neue Geometrien wie der "Drehspan-Mischer" entwickelt. Unter Berücksichtigung von Foulingverringerung, Rückhalt, Energie- und Materialverbrauch schnitt der Drehspan-Mischer unter allen untersuchten Geometrien am besten ab. Die Kombination von statischen Mischern mit Belüftung reduzierte Fouling effizienter als die Einzelmaßnahme. Als besonders effektiv erwies sich der neu entwickelte begasende Mischer, der selbst die Gasblasen ins System einträgt. Aufgrund des Energiebedarfs für die Luftkompression benötigten die belüfteten Systeme mehr Energie als die unbelüfteten. Desweiteren wurden die Mischeffizienz und die Intensivierung des Stofftransports durch statische Mischer am Beispiel der Ab- und Desorption von CO2 in Wasser untersucht. Die Ergebnisse belegen, dass die Verwendung von statischen Mischern in (Membran)reaktoren vielversprechend ist und die Selektivität und Ausbeute einer chemischen Reaktion erhöhen kann. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass statische Mischer eine leicht zu realisierende, aber effiziente Maßnahme zur Foulingreduktion darstellen. Die Verwendung statischer Mischer ermöglicht den Betrieb mit laminarer Strömung, wodurch der Energiebedarf deutlich sinkt. Um den Einsatz von statischen Mischern weiter voranzutreiben, sollten Kriterien entwickelt werden, wie das für eine spezifische Anwendung geeignete Mischerdesign ausgewählt werden kann.

Membrane filtration, and ultrafiltration in particular, is an essential process for (drinking) water purification and wastewater treatment. As all pressure-driven membrane processes, ultrafiltration suffers from fouling phenomena that diminish its efficiency. Various fouling countermeasures have been developed over the years. The approach of altering the membrane surface to make the membrane insusceptible to fouling is extensively studied in literature. Despite some progress, a membrane which is immune to all kinds of foulants has not been developed yet. This thesis follows a different approach, aiming at influencing the process conditions and the hydrodynamics in particular, instead of altering the membrane surface. Changing the hydrodynamics is a rather universal approach and can - depending on the actual measure - be implemented in a wide range of membrane modules and applications. Fouling countermeasures influencing the hydrodynamics range from the simple application of turbulent flow to sophisticated ideas such as vibrating membrane modules. However, most of the ideas or approaches discussed in research are too complicated, too energy intensive or too expensive to apply them in industrial processes. Static mixers inserted in the flow channel of tubular membranes are a simple and easy to apply measure to influence the hydrodynamics inside the module and to mitigate fouling. They deflect and redistribute the fluid, induce secondary flows, and enhance mixing. At the same time, shear rate and particle back-transport are improved. As all these phenomena help to mitigate fouling, static inserts are a promising antifouling measure. This thesis presents a comprehensive investigation of static mixers in membrane filtration. The effects of design and position of static mixers on fouling, retention, pressure loss and energy consumption are analyzed. Various mixer designs were 3D-printed and investigated in humic acid and silica filtration. The analyzed geometries of the static inserts range from plain and modified twisted tapes over screw-threaded inserts to well-known designs as the Kenics static mixer. Furthermore, new mixer geometries such as the ``turning chips'' insert were developed. When taking into account fouling mitigation, energy demand, retention and material consumption, the turning chips mixer turned out to be the best design of all geometries investigated in this thesis. Combining static mixers with air sparging proved even more effective in fouling mitigation. In particular, the newly developed aerating mixer which combines aeration and mixing in one device, showed promising results in fouling mitigation. Due to the energy needed for the air compression, air-sparged systems required more energy than non-sparged systems. The mixing effectiveness and mass transfer enhancement of static mixers were analyzed in the aqueous ab- and desorption of CO2. The results indicate that using static mixers in membrane reactors to improve yield and selectivity of chemical reactions is a promising approach. All in all, it could be shown that static mixers are a useful, easy-to-apply fouling countermeasure which can significantly increase the efficiency of membrane processes. They enable the process operation at laminar flow, thus considerably reducing the energy demand. Developing criteria how to select the mixer design suitable for a specific application can further simplify the usage of static mixers in membrane filtration.

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