Nanofiltration of river water — fouling, cleaning and micropollutant rejection



Yüklə 270,01 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix01.01.2022
ölçüsü270,01 Kb.
#50810
j.desal.2009.09.091



Nano

filtration of river water — fouling, cleaning and micropollutant rejection

Angela M. Klüpfel



, Fritz H. Frimmel

Water Chemistry, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe (TH), Germany

a b s t r a c t

a r t i c l e i n f o

Available online 29 October 2009

Keywords:

Nano


filtration

Membrane fouling

Membrane cleaning

Polar organic micropollutants

Four nano

filtration and low pressure reverse osmosis membranes were investigated concerning their

retention and fouling behavior during

filtration of a surface water (River Alb) spiked with four polar

micropollutants. Filtration and cleaning experiments were also conducted in deionized water spiked with the

model contaminants in order to evaluate the in

fluence of the water matrix on retention. Steric and electrostatic

effects were found to be the most important factors in

fluencing retention of the organic substances. In the

presented experiments, fouling had little in

fluence on retention. In case of the DI water experiments, treatment

of the membranes with NaOH solution considerably lowered the retention of the investigated micropollutants,

whereas in the experiments with river water the effect of alkaline treatment on the rejection of the trace

organic substances decreased to an insigni

ficant amount already 1 h after membrane cleaning.

© 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction

Nano


filtration (NF) is one of the emerging and promising tech-

nologies in water treatment. In spite of several research projects about

the subject, fouling is still inevitable and remains a major problem in

the application of NF

[1]

. Chemical cleaning often represents the only



way to restore the permeate

flux to an economically feasible value.

However, up to now there is little systematic work on that subject and

consequently only a few publications dealing with cleaning of NF

membranes have become available

[2]


. This leads to a severe lack in

understanding of fundamental mechanisms of the cleaning procedure

and hence to a big improvement potential concerning e.g. membrane

lifetime and cleaning agent consumption. An in

fluence of membrane

fouling on the rejection of organic contaminants by NF membranes has

been reported lately

[3,4]


, whereas little information is available about

the in


fluence of membrane cleaning on the membrane's performance.

In this study, four commercially available membranes have been

investigated concerning their fouling and cleaning behavior during NF of

a surface water (River Alb). Rejection of four polar micropollutants was

monitored regularly over the experimental period in order to further

evaluate the in

fluence of the feed matrix, fouling and cleaning on

membrane performance.

2. Experimental

2.1. Filtration experiments

Nano

filtration of a south German surface water (River Alb, 150 kDa



pre

filtration) was conducted in a bench scale crossflow plant with

eight modules connected in parallel under the following operating

conditions: pressure p=10 bar, temperature T=20±0.2 °C, cross

flow

velocity v



CF

=0.2 ms


−1

. The raw water shows a dissolved organic carbon

(DOC) concentration of 2.5 mg L

−1

and a low hardness (3.3 °dH). No



antiscalants were added as according to calculations with the software

ROSA (DOW) scaling could be excluded for the

filtration of Alb water with

NF 270 at the given operating conditions. Due to the calculations mainly

organic fouling was expected. Therefore, alkaline conditions were chosen

for membrane cleaning. Three nano

filtration membranes and one low

pressure reverse osmosis membrane (CG) of similar molecular weight cut

off (MWCO,

Table 1


) have been investigated in duplicates. The

membranes were rinsed with deionized (DI) water for 36 h at the given

operating conditions before starting the experiment.

It has to be noted that the transmembrane pressure applied during

the experiments was chosen with the aim to create membrane fouling

in a reasonable short time and that the resulting initial clean water

flux was outside the range recommended for continuous operation of

NF 270. Hence, fouling layer formation could be expected particularly

for this membrane.

The raw water was spiked with four polar micropollutants (

Table 2

) at


concentrations of 100 µg/L each in order to compare the in

fluence of feed

matrix, fouling and cleaning on the rejection of the selected substances.

Alb water was

filtered for 570h with two alkaline cleaning steps

(1 h, NaOH, pH 11 for DK, DL and NF 270 and pH 8 for CG) after 190

and 480 operating hours, respectively. One 480 h

filtration experiment

with alkaline cleaning after 312 h was conducted with DI water spiked

with the micropollutants (100 µg L

− 1

each).


2.2. Analysis

Membranes and fouling layers were characterized by means of

scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spec-

troscopy (EDX, both LEO 1530 Gemini), attenuated total re

flectance

Desalination 250 (2010) 1005

–1007

☆ Presented at the 12th Aachener Membrane Kolloquium, Aachen, Germany, 29-30



October, 2008.

⁎ Corresponding author.

E-mail address:

angela.kluepfel@ebi-wasser.uni-karlsruhe.de

(A.M. Klüpfel).

0011-9164/$

– see front matter © 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

doi:


10.1016/j.desal.2009.09.091

Contents lists available at

ScienceDirect

Desalination

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w. e l s e v i e r. c o m / l o c a t e / d e s a l



Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR, Bruker Equinox®,

IFS 55) and contact angle measurements. Liquid chromatography

tandem mass spectrometry (LC



–MS/MS, HP 1100 chromatography

system, Agilent) was used for micropollutant analysis. DOC was mea-

sured with a TOC-Analyzer 820 (Sievers Instruments).

3. Results and discussion

3.1. Fouling and cleaning results

The given operating conditions resulted in an initial clean water

flux of 24 (CG), 30 (DK), 42 (DL) and 135 Lm

− 2


h

− 1


(NF 270),

respectively, after 36 h rinsing in DI water. CG, DK and DL did not

show signi

ficant changes in permeability during the filtration and

cleaning experiments except for a temporary rise after the second

cleaning step for DK and a slight increase after cleaning for DL

followed by a slow decline to its initial value of permeability. Due to its

high initial

flux, permeability decreased strongly for NF 270 and was

not recovered during the cleaning cycles. In SEM, contact angle (not

shown) and ATR-FTIR measurements (

Fig. 1


), fouling layers of dif-

ferent thickness were detected for all investigated membranes. As

neither the

filtration nor the cleaning periods showed significant

in

fluence on the permeate flux of DK, DL and CG, the resistance of the



fouling layer is assumed to be negligible compared to the membrane

resistance in these cases.

Fig. 1

shows ATR-FTIR-Spectra of the membranes CG and NF 270 in



virgin state, after

filtration and after cleaning.

In ATR-FTIR measurements the IR beam penetrates the sample

approx. 1 µm. Hence, the spectra of virgin nano

filtration membranes

typically contain information about both the active layer and the

membrane support

[6]


. Correspondingly, ATR-FTIR spectra of fouled

membranes can be assumed to consist of both membrane and fouling

bands. The membrane CG (cellulose acetate,

Fig. 1


a) shows char-

acteristic bands at 1750 cm

− 1

(carbonyl groups), 1350



–1400 cm

− 1


(methyl groups) und 1220

–1225 cm


− 1

(carboxyl groups). After

fil-

tration of Alb water and alkaline cleaning, the spectra are consistent



with the virgin membrane spectrum to a great extend, probably due

to the thin fouling layer on the CG membrane. The spectrum of NF 270

(polyamide,

Fig. 1


b) on the other hand, shows evidences of peptide

bonds which are characteristic for polyamide (1650 cm

− 1

: amide


group I, NH; 1550 cm

− 1


: amide group II, NH und CN). According to

Boussu et al.

[6]

, further bands (1100, 1000 and 720 cm



− 1

) belong to

the polyester support of the membrane. In the spectra after

filtration

and cleaning, the membrane bands seem to be covered by broad

bands probably belonging to the comparatively thick fouling layer.

Likewise, comparing ATR-FTIR spectra of new and fouled membranes

Xu et al.

[3]

observed the sharp membrane bands to be covered by



broad absorption peaks belonging to the fouling layer. Cho et al.

[7]


reported the reduction of all the membrane bands in ATR-FTIR spectra

after


filtration of groundwater. Possible reasons for the alterations

that were observed in the ATR-FTIR spectra of NF 270 after fouling are

1) the IR beam is not able to penetrate the fouling layer and hence to

excite vibrations of the membrane material and 2) the sharp signals of

the pure membrane are shifted and broadened due to interaction of

fouling layer molecules with the membrane material. For the four

investigated membranes, the intensity of the fouling bands in

comparison to the membrane bands could be correlated with the

thickness of the fouling layers (as observed in SEM) as well as with the

initial clean water

flux of the virgin membranes. It was found to

increase in the order CG

bDKbDLbNF 270. The spectra of the cleaned

membranes revealed no signi

ficant difference compared to the

membranes characterized directly after

filtration.

Comparison of virgin and fouled membrane EDX spectra showed

the presence of Fe, Cu, Zn, Mg, Al, Ca, Si, Cl, K, P and S (possibly as

phosphates and sulfates respectively) in the fouling layers in addition

to C, O and H. This refers to a contribution of inorganic water con-

stituents to fouling layer formation despite their low concentrations

in the raw water.

3.2. Rejection of model substances

Fig. 2

shows the rejection of four polar trace organic substances in



DI and Alb water before and after cleaning.

Clo


fibric Acid showed the highest rejection in DI and Alb water for

all the investigated membranes compared to Atrazine, Metamitron

Table 1

Characteristic parameters of the investigated membranes.

Company

Material


MWCO

a

Zeta-potential



(pH 6.5)

[5]


Contact angle

g/mol


mV

θ

a



θ

r

NF 270



DOW

Polyamide

175

−19.7


28.5°

14.8°


DK

GE

Polyamide



170

−5.9


40.0°

18.1°


DL

GE

Polyamide



325

−9.4


51.1°

28.0°


CG

GE

Cellulose acetate



170

−4.9


28.9°

12.9°


a

Determined by

filtration of sugars and polyethylenglycols at 25 °C and 10 bar.

Table 2


Characteristic properties of the investigated model substances.

M

pK



a

Charge (pH 6.5)

log K

OW

a



g mol

− 1


Metamitron

C

10



H

10

N



4

O

202



1.7

Neutral


1.44

Clo


fibric acid

C

10



H

11

ClO



3

215


2.2

Negative


2.84

Atrazine


C

8

H



14

ClN


5

216


2.4

Neutral


2.82

Terbutaline

C

12

H



19

NO

3



225

9.3, 9.1


Positive

0.62


a

Estimated by means of an atom/fragment contribution method (

http://www.

syrres.com/esc/est_kowdemo.htm

).

Fig. 1. ATR-FTIR-Spectra of the membranes CG (a) and NF 270 (b) virgin, after



filtration

and after alkaline cleaning.

1006

A.M. Klüpfel, F.H. Frimmel / Desalination 250 (2010) 1005



–1007


and Terbutaline. This is probably due to electrostatic repulsion

between the negatively charged membrane surface and the negatively

charged dissociated organic acid molecule. Rejection of Clo

fibric Acid

in Alb water was similar to rejection in DI water for all membranes.

Atrazine and Metamitron were rejected at an equal amount in both

water matrices, whereas Terbutaline was signi

ficantly less rejected in

DI water in case of the DL and CG membrane. Attractive forces

between the positively charged molecule and the negatively charged

membrane surface may lead to a higher passage of Terbutaline in DI

water whereas those interactions could be shielded by negatively

charged water constituents (Natural organic matter NOM, anions)

during


filtration of river water. For the membranes DK and NF 270,

size exclusion seems to dominate the charge effects. The RO cellulose

acetate membrane CG with a MWCO similar to DK and NF 270

(

Table 1



) generally showed a comparatively low rejection, especially

for Terbutaline, Atrazine and Metamitron.

During the

filtration periods no significant change in rejection of

the organic substances was found, although Metamitron showed a

decreasing trend after cleaning during

filtration with the membrane

NF 270. It can be deduced that fouling had little in

fluence on the

rejection of the investigated molecules in these experiments.

In case of the DI water experiments, treatment of the membranes

with NaOH solution considerably lowered the rejection of the in-

vestigated micropollutants except for Atrazine rejected by CG.

Restoration of the membrane performance was achieved after several

hours. The low rejections directly after alkaline treatment can be

explained by electrostatic repulsion between deprotonated acidic

membrane groups and a consequential pore expansion or

“membrane

swelling

” which was reported by several authors at higher pH values

[8]

. During subsequent



filtration of unbuffered DI water the depro-

tonation of the functional groups seems to be reversed only after

several hours.

However, in the experiments with Alb water the effect of alkaline

treatment on the rejection of the trace organic substances decreased to

an insigni

ficant amount already 1 h after membrane cleaning. Hence,

restoration of the original membrane properties could be achieved in

less than 1 h probably due to buffer action of the river water.

4. Conclusions

The four membranes showed a quite different fouling and re-

jection behavior during the

filtration experiments:

□ Due to its high initial flux, fouling formation was strongest for NF

270. For DK, DL and CG,

flux did not change to a great extend

during

filtration and cleaning. Thus, membrane resistance pre-



vailed fouling layer resistance in case of these membranes.

□ Rejection could be related to MWCO in case of DL, DK and NF 270,

but not for CG. DK and NF 270 turned out to remove the micro-

pollutants most ef

ficiently.

Fouling was detected on all the membranes by means of SEM and

ATR-FTIR. However, under the given experimental conditions, fouling

did not affect the rejection of the investigated model substances

signi

ficantly. The feed matrix turned out to determine the influence of



an alkaline cleaning step on micropollutant rejection.

Acknowledgements

The authors thank the Water chemical Society, division of the

German Chemical Society for a PhD scholarship and DVGW for

financial support. Luciana E. Martínez is acknowledged for her con-

tribution to the experimental work.

References

[1] Q. Li, M. Elimelech, Environ. Sci. Technol. 38 (2004) 4683

–4693.

[2] A. Al-Amoudi, R.W. Lovitt, J. Membr. Sci. 303 (2007) 4



–28.

[3] P. Xu, J. Drewes, T. Kim, C. Bellona, G. Amy, E. Schulze, J. Membr. Sci. 279 (2006)

165

–175.


[4] K.V. Plakas, A.J. Karabelas, T. Wintgens, T. Melin, J. Membr. Sci. 284 (2006) 291

–300.


[5] D. Norberg, S. Hong, J. Taylor, Yu. Zhao, Desalination 202 (2007) 45

–52.


[6] K. Boussu, J. De Baeremaeker, C. Dauwe, M. Weber, K.G. Lynn, D. Depla, S. Aldea, I.F.J.

Vankelecom, C. Vandecasteele, B. Van der Bruggen, ChemPhysChem 8 (2007)

370

–379.


[7] J. Cho, G. Amy, J. Pellegrino, Y. Yoon, Desalination 118 (1998) 101

–108.


[8] C. Bellona, J. Drewes, J. Membr. Sci. 249 (2005) 227

–234.


Fig. 2. Rejection of a) Terbutaline, b) Atrazine, c) Clo

fibric Acid, d) Metamitron in DI and Alb water. □ : filtration before cleaning (n=7),

: sampling 2 h after cleaning (n = 1),

:

filtration after cleaning (n=7).



1007

A.M. Klüpfel, F.H. Frimmel / Desalination 250 (2010) 1005



–1007

Document Outline


Yüklə 270,01 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin