The permeate flux declination along an ultrafilter membrane is due mainly to the concentration-polarization resistance increment and the decline in transmembrane pressure. It was found in previous works that the concentration polarization resistance could be reduced in a ring-rod tubular membrane ultrafilter using the turbulent behavior. In the present study, the performance was further improved by properly and gradually decreasing the baffled-ring distance along the cross-flow channel coupled with properly adjusting the number of baffled rings. This theoretical analysis is based on the mass and momentum balances as well as the application of the resistance-in-series model. The correlation predictions are confirmed with the experimental results for dextran T500 aqueous solution ultrafiltration.
The present study deals with a numerical investigation of heat and mass transfer in a Sweeping Gas Membrane Distillation (SGMD) used for desalination. The governing equations expressing the conservation of mass, momentum, energy and species with coupled boundary conditions were solved numerically. The slip boundary condition applied on the feed saline solution-hydrophobic membrane interface is taken into consideration showing its effects on profiles and process parameters.The numerical model was validated with available experimental data and was found to be in good agreement particularly when the slip condition is considered. The results of the simulations highlighted the effect of slip boundary condition on the velocity and temperature distributions as well as the process effectiveness. They showed in particular that as the slip length increases, the permeate flux of fresh water and process thermal efficiency rise.
A two-dimensional (2D) steady state numerical model of concentration polarisation (CP) phenomena in a membrane channel has been developed using the commercially available computational fluid dynamics (CFD) package CFX (Ansys, Inc., USA). The model incorporates the transmembrane pressure (TMP), axially variable permeate flux, variable diffusivity and viscosity, and osmotic pressure effects. The model has been verified against several benchmark analytical and empirical solutions from the membrane literature. Additionally, the model is able to predict the rejection of an arbitrary solute by the membrane using a pore model, given some basic knowledge of the geometry of the solute molecule or particle, and the membrane pore geometry. This allows for predictive design of membrane systems without experimental determination of the membrane rejection for the specified operating conditions. A demonstration of the model is presented against experimental results for two uncharged test compounds (sucrose and PEG1000) from the literature. The model will be extended to incorporate charge effects, transient simulations, three-dimensional (3D) geometry and turbulent effects in future work.
Membrane Distillation(MD) is reviewed as an application to new separation technology. Hydrophobic membrane which has been used to microfiltration is feasible material for MD process. MD has perfect selectivity under moderate temperature and is promised to simplify typical water treatment process. The principle of MD separation is phase transition by vapor-liquid interface at the pore of membrane surface. Feed and permeate temperature, composition, membrane wetting, heat and mass transfer phenomena affect the selectivity and flux of MD.
The constant-pressure and constant-flux membrane filtration experiments of alumina colloidal solution are performed to investigate defouling effect of the natural convection instability flow (NCIF) induced in membrane module. The permeate flux at constant-pressure and the transmembrane pressure (TMP) at constant-flux experiments are measured by changes the inclined angle (0, 90 and 180°) of membrane module to the gravity, and flux results are analyzed by using the blocking filtration model. NCIF are more induced as the inclined angles increased from 0° to 180°, and the maximum induced NCIF at 180° angle enhances flux to 2.8 times and reduces TMP to 85% after two-hour operation. As a result of analyzing flux data by applying the blocking filtration model, it is more reasonable to analyze them by using the intermediate blocking model within 15-minute operation time and then thereafter times by using the cake filtration model. The induced NCIF at 180° angle reduces the intermediate blocking fouling at 52% in the early operation time of 15-minute and thereafter the cake layer fouling at 93%. The main membrane fouling control mechanism of NCIF induced in membrane module is evaluated as suppressing the formation of the cake layer of particulate colloidal materials on membrane surface.
The GR51PP(MWCO 50,000) and GR40PP(MWCO 100,000) membranes manufactured by DDS were used in ultrafiltration of dextran(Mw. : 500,000) solution in flat plate ultrafiltration cell filled with various types of turbulence promoters. The flux improvement by using turbulence promoter was higher in laminar flow region than in turbulent flow region. The maximum improvements of permeate flux were foud as 112% and 50% I laminar flow region and turbulent flow region, respectively. Also, the solute rejection of the ultrafiltration membrane was improved by turbulence promoters and its effect was significant in the high transmembrane pressure and laminar flow region. The smaller the spacer mesh size was used, the higher the flux improved, but the pressure drop in ultrafiltration cell also increased. In laminar flow region, pressure drop by the spacer was negligible, but in turbulent flow region it changed significantly depending upon the mesh size of the spacer and therefore, its mesh size must be baken into account in the design of the process. The predicted results of the modified mass transfer correlation had better agreement with experimental results than those of unmodified one, The modified mass transfer correlations for laminar and turbulent flow region are shown as follow. $N_{sh}=0.151(N_{Re})^{0.199}(N_{Sc})^{0.22}(N_{Scm})^{0.197}\;(625$N_{sh}=0.0165(N_{Re})^{0.428}(N_{Sc})^{0.33}(N_{Scm})^{0.223}\;(5015
The effect of water back-flushing period (filtration time, FT) was investigated in hybrid process of alumina microfiltration and photocatalyst for advanced drinking water treatment in this study, and compared with the previous studies with carbon microfiltration or alumina ultrafiltration membranes. The FT was changed in the range of 2~10 min with fixed 10 sec of BT. Then, the FT effects on resistance of membrane fouling ($R_f$), permeate flux (J) and total permeate volume ($V_T$) were observed during total filtration time of 180 min. As decreasing FT, $R_f$ decreased and J increased as decreasing FT, which was same with the previous results with carbon microfiltration or alumina ultrafiltration membranes. The treatment efficiency of turbidity was high beyond 98.1%, and the effect of FT was not shown on treatment efficiency of turbidity, which was same with the previous result of carbon microfiltration. The treatment efficiency of organic matters was the highest value of 89.6 % at FT 8 min, which was a little higher than those of the previous results, and the effect of FT was not shown on treatment efficiency of organic matters.
The objective of this study is to propose a mathematical model for a pervaporation process for concentrating hydrogen peroxide. The process was developed by NASA, which consists of a shell and membrane tubes, where a liquid hydrogen peroxide solution flows in the shell, and a sweep gas flows in the tubes countercurrent to each other. The liquid retentate is concentrated as more water molecules permeate and evaporate through the membrane than hydrogen peroxide. For this process, a mathematical model has been developed in the form of a system of nonlinear partial differential algebraic equations based on a sorption-diffusion mechanism for permeation, an Arrhenius relationship for the temperature dependency of the permeate flux, and mass and momentum balances for the liquid concentrations and flows in the membrane module. The dynamic behavior of the concentration of hydrogen peroxide in the retentate side has been simulated by solving a simplified version of the proposed model, and the result is compared with the experimental data reported in the NASA patent.
Thin-film composite reverse osmosis membranes of aromatic polyamides were prepared by the interfacial polymerization. Aromatic polyamides as active skin layer were made from the interfacial polymerization of MPD(m-phenylene diamine) in the aqueous and TMC(trimesoyl chloride) in HCFC(1,1-dichloro-1-fluoroethane) organic solvent. The performances of the various reverse osmosis composite membranes prepared by changing processing variables were examined. The performance of membrane manufactured by batch system was varied with organic solvent, monomer concentration, dipping time, heat treatment temperature, acid acceptor, ethanol post treatment, and acid post treatment. Ethanol post treatment was the most dominant factors in increasing permeate amount, while the monomer concentration and dipping time were the main factors in increasing selectivity. The spiral-wound module was produced with the membrane prepared at optimum condition of the continuous process. Comparing the performance of this membrane module made here with that of commercial membrane module, the permeate flux was increased by 33% while the rejection was decreased by 5%.
After membrane fouling factors in acrylic wastewater were minimized by pretreatment process accompanied with coagulation-filtration-neutralization, it was utilized in UF/RO process. After composing of ultrafiltration and reverse osmosis module set according to types and kinds of membrane, the separation characteristics were examined with the variation temperature and pressure using pretreated acrylic wastewater by membrane module sets. It was found that permeate flux of UF module in module set 4 was about two${\sim}$three times larger than that of UF module in module set 1. Final quantity of permeate from the module set 2 and module set 3 combined with tubular module was shown very good result. It was shown that the removal efficiency of TDS, T-N and COD was very low and was not dependent on the variation of temperature and pressure in all UF modules. The removal efficiency of TDS, T-N and COD was very excellent in RO module. Final water quality of acrylic wastewater was satisfied with effluent allowances limit and membrane module sets were ascertained to reuse wastewater.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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