Show simple item record

dc.contributor.authorRaspati, Gema Sakti
dc.date.accessioned2015-05-20T07:46:57Z
dc.date.available2015-05-20T07:46:57Z
dc.date.issued2015
dc.identifier.isbn978-82-471-4548-7
dc.identifier.isbn978-82-471-4549-4
dc.identifier.issn1503-8181
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/283762
dc.description.abstractTo date, more and more traditional water treatment methods are replaced with membrane filtration owing to stringent quality requirements and limitations of such methods in coping with the future water quality requirements. Low pressure membrane (LPM) systems are considered a good alternative to meet the future drinking water quality requirements. The last decade has seen the increase of LPM applications in drinking water production. Membrane fouling, however, is still considered one of the biggest challenges in membrane technology, not only for LPM but also for membrane applications in general. This phenomenon impacts the sustainability of the membrane systems as a whole if not precociously tackled. Particulate or colloidal matter is considered one of the major foulants in LPM owing to their sizes. Coagulation pretreatment is proven advantageous for improving the filtration performance. Specifically, inline coagulation (IC) has been demonstrated as an alternative to the classical tank coagulation (TC) in dead-end ceramic microfiltration (MF) of natural organic matter (NOM). IC-MF offers a simpler process configuration and lower investment costs without compromising the filtrate quality. Blocking laws have been commonly applied in elucidating fouling phenomena in LPM dealing with Newtonian or non-Newtonian fluids. This study showed that the extended blocking laws for non-Newtonian fluid are theoretically sound i.e. direct relation with the classical blocking laws for Newtonian fluid exists. However, applying the modified equations in filtration experiments was proven problematic, mainly owing to the fact that the fluid continuity principle was not fulfilled. Moreover, results showed that TMP profiles during filtration experiments of non-Newtonian fluids resemble the characteristic of cake filtration, suggesting that evaluation of resistance components is sufficient in addressing the challenge to elucidate the fouling propensity as opposed to a mechanistic approach. This study attempted to overcome blocking laws’ weaknesses i.e. the facts that blocking laws neglect transition of the dominant fouling mechanisms and simultaneous fouling mechanisms may operate at the same instance, by combining blocking laws with the resistance-in-series model. The approach was applied in explaining fouling phenomenon in dead-end, constant flux MF of coagulated NOM water. Filtration experiments showed that NOM separation performance was solely dependent on the applied dose of coagulant irrespective to the applied process conditions (i.e. degree of mixing and the flocculation time) and configurations (i.e. inline vs. tank coagulation). Process conditions and configuration, however, were found to be the determining factors of the degree of membrane fouling and the observed operational performance (e.g. reversibility of membrane fouling and characteristic increase of TMP due to fouling). Combing the blocking laws and resistance-in-series model was able to distinguish the characteristics of filtration of membranes fed by TC and IC. Cake compressibility was found to be different in each condition tested, with clear interplays between the process conditions applied and the resulting compressibility. Assessment of the cake compressibility parameters is a good consideration for choosing the optimal process condition to be applied. Furthermore, this study addressed the extent of membrane fouling by looking closely at the properties of aggregates produced from the different process conditions and configurations. Fractal dimensions (1D-3D) were employed to characterize aggregate morphology. It was found that the aggregate properties determine the nature of membrane fouling and investigating the properties of the aggregate can therefore assess the extent of membrane fouling. 1D and 2D fractal dimensions from power-law and box-counting methods were proven complementary in describing the membrane fouling phenomenon i.e. in explaining the resistance components and cake compressibility parameters. Particle/aggregate morphology is of great importance in membrane filtration and can be used to evaluate its relation to fouling phenomenon observed. In addition, fractal dimensions can be exploited to elucidate the membrane fouling by providing insights to the cake structural properties. This study explored the application of 3D fractal dimension for the analysis of cake porosity and permeability, which further complement the cake compressibility analysis from combing the blocking laws and resistance-in-series model. This study utilized the cake parameters from the combined model in analysis of cake layer fractal dimension. Such an approach was found complementary to the types of analysis characterizing the aggregates. This study also suggests that characterization of NOM fractions in relation to the membrane properties may help understand NOM fouling. Understanding the interaction between NOM fractions and membrane properties may help minimize the fouling propensity during NOM separation. The hydrophobic-hydrophilic interactions appear to be the dominant mechanism in NOM-membrane interactions and fouling during filtration experiments of raw and flotated waters.nb_NO
dc.description.abstractKonvensjonelle vannbehandlingsmetoder blir i dag i større grad erstattet med membranfiltrering på grunn av strengere krav til vannkvalitet og begrensningene konvensjonelle metoder har i å møte fremtidige krav til vannkvalitet. Lavtrykk membransystemer (LPMs) anses å være et godt alternativ til å oppfylle de økende krav til drikkevannskvalitet. Det siste tiåret har sett en økning av LPM applikasjoner i drikkevann produksjon. Membran fouling (e.g. gjentetting og begroing) fortsatt anses som den største utfordringen i anvendelse av membranteknologi, ikke bare for LPMs men også for membran systemer generelt. Dette fenomenet påvirker bærekraften i membransystemer som helhet hvis ikke takles. Partikler eller kolloid finstoff anses som en av de viktigste årsakene til fouling i LPMs på grunn av materialets størrelser. Koagulering som forbehandling er vist fordelaktig for forbedring av filtreringsevnen. Rørflokkulering (IC) er også demonstrert til å være et alternativ til konvensjonelle tank flokkulering (TC) i kombinasjon med microfiltrering (MF) med keramiske membraner for fjerning av naturlig organiske material (NOM). IC-MF også representerer en enklere prosesskonfigurasjon med lavere investeringskostnader uten bekostning av filtratet kvalitet. Blocking laws har ofte blitt brukt til å analysere og beskrive fouling fenomener i LPMs med Newtonian eller non-Newtonian væsker. Dette arbeid har vist at de utvidede blocking laws anvendt for non-Newtonian væsker har teoretisk gyldighet dvs. direkte sammenheng med de klassiske blocking laws for Newtonian væske gjelder. Det er imidlertid problematisk å anvende de modifiserte ligningene i disse filtreringseksperimenter, hovedsakelig på grunn av at væskekontinuitets prinsippet ikke ble oppfylt. I tillegg, resultatene at TMP profiler under filtrering eksperimentene viste at non-Newtonian væsker likner karakteristisk for kake filtrering, som antyder at evaluering av motstands komponenter kan være tilstrekkelig for å beskrive fouling i motsetning til en mekanistisk tilnærming. Dette studiet har forsøket å eliminere svakhetene av blocking laws, dvs. faktum at blocking laws neglisjerer en endring av dominerende fouling mekanismer og at flere fouling mekanismer kan foregå samtidig, ved å kombinere blocking laws med motstand-i-serie modellen. Denne fremgangsmåten var brukt for å beskrive fouling fenomen observert under konstant fluks i dead-end modus med koagulert NOM vann. Det ble funnet at fjerning av NOM er kun avhengig av anvendte dose av koaguleringsmiddel, uavhengig av de andre prosessbetingelser (e.g. graden av blanding og flokkuleringstid) eller systemkonfigurasjon (e.g. rør- vs. tank koagulering). Prosessbetingelser og systemkonfigurasjon er imidlertid bestemmende faktorer for membran fouling og observert drift (e.g. reversibilitet av membran fouling og karakteristisk økning av TMP grunn av fouling). En kombinasjon av blocking laws og motstand-i-serie modellen var i stand til å beskrive membranfiltrering av både TC og IC vann. Kake kompressibilitet ble funnet å være forskjellig for hver tilstand testet, med klare responser som funksjon av prosessbetingelser brukt. Vurdering av kake kompressibilitet er en god faktor for å velge en optimal prosessbetingelse. Studiet har investigert graden av membran fouling ved å analysere egenskapene av aggregatene som genereres under forskjellige prosessbetingelser og systemkonfigurasjoner brukt. Fraktaldimensjoner (1D-3D) ble brukt for å karakterisere aggregat morfologi. Det ble funnet at aggregat egenskapene bestemmer hvordan membran fouling skjer, og ved å undersøke egenskapene til aggregatene kan man beskrive nærmere membran fouling. 1D og 2D fraktaldimensjoner fra power-law og box-telling metoder ble funnet å være komplementerende i beskrivelsen av membran fouling fenomen, dvs. å forklare motstand komponenter og kake kompressibilitets parametere. Partikkel / aggregat morfologi er derfor av stor betydning i membranfiltrering og kan brukes for å beskrive fouling observert. Fraktaldimensjoner kan i tillegg benyttes til å belyse membranen fouling ved å gi innsikt i strukturelle egenskaper av kaken. Studien også undersøkte anvendelse av 3D fraktaldimensjon for analyse av kakeporøsitet og permeabilitet, som bidrar ytterligere til kaken kompressibilitet analyse ved kombinasjon av blocking laws og motstand-i-serie modellen. Studiet brukte kake parametere fra den kombinerte modellen i analyse av kake fraktaldimensjoner. Denne fremgangsmåten ble funnet komplementær til måter å analysere aggregat egenskaper. Studiet også viste at karakterisering av NOM fraksjoner i forhold til membran egenskaper kan bidra til å forstå NOM fouling av membraner. En bedre forståelse av samspillet mellom NOM fraksjoner og membran egenskaper kan bidra til å minimere begroing tilbøyelighet under NOM separasjon. De hydrofobe-hydrofile interaksjoner synes å være den dominerende mekanismen i NOM-membran interaksjoner og begroing under filtrering eksperimenter der råvann og effluent fra flotasjon vann er brukt.
dc.language.isoengnb_NO
dc.publisherNTNUnb_NO
dc.relation.ispartofseriesDoctoral thesis at NTNU;
dc.relation.ispartofseries;2015:39
dc.titleNatural Organic Matter Fouling in Low Pressure Membrane Filtration – Assessing Fouling Models by Advanced Particle/Aggregate Characterizationnb_NO
dc.typeDoctoral thesisnb_NO
dc.subject.nsiVDP::Technology: 500::Building technology: 530::Hydrotechnology: 538nb_NO


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record