Static mixer assisted membrane filtration

Weik, Sarah; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Panglisch, Stefan (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

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.

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