Description: Umkehrosmose- (UO) und Nanofiltrationsmembranen (NF) sind bekannt für ihre hohe Selektivität gegenüber gelösten Stoffen und neu auftretenden Schadstoffen, die in verschiedenen Wassertypen vorhanden sind. Elemente mit spiralförmig gewickelten Membranen sind die am häufigsten verwendete Membrankonfiguration in UO/NF-Anlagen. Sie bestehen aus mehreren Taschen aus Dünnschichtverbundmembranen (TFC), einem Permeatrohr sowie Spacer (Abstandshalter) für Permeat (Produkt) und Feed (Zulauf). Feed-Spacer bilden einen Strömungskanal zwischen zwei benachbarten Taschen. Sie spielen eine wesentliche Rolle für die Flüssigkeitscharakteristika innerhalb der Feed-Strömungskanäle und folglich bei der Beeinflussung der Querströmungsgeschwindigkeit und des Druckabfalls. Dies beeinflusst Membranverschmutzung (Fouling) und Energieverbrauch und damit die Betriebskosten. Feed-Spacer sind vorteilhaft, um den Massentransport, die Fluidmischung und die Scherrate zu verbessern, was die Konzentrationspolarisation (Ansammlung zurückgehaltener Stoffe in einer Grenzschicht nahe der Membranoberfläche) und das Scaling (Überschreiten des Löslichkeitsgleichgewichts von Salzen) mildern sollte. Es wird jedoch auch beobachtet, dass Spacer zu Zonen mit schlechtem Massentransport führen, in denen dann partikuläres Fouling und Biofouling verstärkt auftreten. Die Nutzung von synergetischen Einflüssen einer Oberflächen-Mikrostrukturierung der Membran (regelmäßiges Muster im Mikro- oder Nanometerbereich auf der aktiven Seite) sowie des Designs und der Ausrichtung der FeedSpacer kann potenziell eine Flüssigkeitsmischung fördern und den Massentransport durch eine erhöhte Scherrate an der Membranoberfläche und in den Feed-Spacer-Strukturen verbessern. Dies mildert die Adhäsion von Partikeln und Biofouling erheblich, reduziert die Konzentrationspolarisation und erhöht somit den durchschnittlichen Permeatfluss und den für das Einsetzen von Fouling kritischen Fluss. Bisher wurden das Partikelablagerungsverhalten und die Neigung zu Biofouling in mit Spacern gefüllten Kanälen oberflächenstrukturierter TFC-Membranen weder in theoretischen (Simulation) noch experimentellen Studien untersucht. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt soll das Verständnis grundlegender Design- und Betriebsaspekte im Hinblick auf neue und innovative Entwicklungsansätze fördern. Basierend auf experimentell ermittelten räumlichen Verteilungen von Partikeln und Biofoulants in Feed-Spacern soll die Topographie der Membranoberfläche an die Geometrie der Feed-Spacer angepasst und spezifisch gestaltet werden. Dies führt zu einer neuen Generation maßgeschneiderter Membrantaschen, die verbesserte Trennleistung und Antifouling-Eigenschaften aufweisen. Dieses neue Entwicklungskonzept wird eine Erhöhung der Prozesseffizienz und der Modullebensdauer sowie eine Verringerung des Energieverbrauchs bewirken und damit nachhaltigere und kostengünstigere Wasserreinigungsprozesse ermöglichen.
Types:
SupportProgram
Origins:
/Bund/UBA/UFORDAT
Tags:
Natriumchlorid
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Fluss
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Kombinationswirkung
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Schadstoffwirkung
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Salz
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Nanofiltration
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Hydrogeologie
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Stress
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Topographie
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Biofouling
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Gelöste Stoffe
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Antifouling
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Energieverbrauch
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Hydrochemie
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Limnologie
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Siedlungswasserwirtschaft
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Studie
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Forschungsprojekt
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Adhäsion
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Grenzschicht
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Hydrologie
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Partikel
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Schadstoff
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Integrated Water Resources Management
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Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
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Urban Water Management
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Water Chemistry
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Region:
Bavaria
Nordrhein-Westfalen
Bounding boxes:
11.5° .. 11.5° x 49° .. 49°
6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°
License: cc-by-nc-nd/4.0
Language: Deutsch
Organisations
-
Technische Universität München, TUM School of Engineering and Design, Institut für Wasser und Umwelt, Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft (Projektverantwortung)
-
Umweltbundesamt (Bereitstellung)
-
Universität Duisburg-Essen, Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik / Wassertechnik (Projektverantwortung)
Time ranges:
2022-01-01 - 2025-08-17
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Fundamental research to exploit hydrodynamic effects to reduce membrane fouling by introducing special arrangements of novel feed spacer geometries in combination with non-regular membrane surface-pattern
Description: Reverse osmosis (RO) and nanofiltration membranes (NF) are known for their high selectivity towards dissolved substances and emerging pollutants present in different types of water. Spiral wound membrane modules are the most frequently employed membrane configuration in RO / NF installations. They consist of thin-film composite (TFC) membrane flat sheets (also called envelopes), a permeate tube, in addition to permeate and feed spacers. Feed spacers offer inter-membrane spacing, consequently, they create a flow channel between two adjacent membrane sheets with the intent to establish proper fluid mixing and mass transfer. They have a substantial role in determining fluid characteristics inside feed flow channels, and consequently, influencing crossflow velocity and pressure drop. Crossflow velocity is affecting membrane fouling, while pressure drop is influencing energy consumption and operational costs. Generally, feed spacers are beneficial for enhancing mass transport, fluid mixing and shear stress, which should mitigate concentration polarization (i.e., accumulation of retained solutes in a boundary layer near membrane surface) and scaling. Nevertheless, they are also found to result in localized regions with poor mass transport along the feed channel where particulate fouling and biofouling often occur. Utilization of synergetic influences of surface micro-patterning (regular micro- or nanometer-scale pattern on the active side) as well as feed spacer design and orientation can potentially promote fluid mixing that will improve shear stress on membrane surface and feed spacer structures, which can mitigate significantly adhesion of particles and biofoulants, reduce concentration polarization, and therefore, increase average permeate flux and critical flux for the onset of fouling. Up to now, the particle deposition behavior and the tendency to biofouling in spacer-filled channels of surface-structured TFC membranes have not been investigated in theoretical (simulation) or experimental studies. The proposed research will promote the understanding of fundamental design and operational aspects. Based on experimentally determined spatial distributions of particles and biofoulants in feed-spacers, the topography of the membrane surface shall be adapted to the geometry of the feed-spacers and specifically designed. Ultimately, this will lead to a new generation of tailor-designed non-regular surface-patterned membrane-feed spacer assemblies exhibiting superior separation performance and antifouling properties. This new development concept is believed to better allow managing process efficiency, module lifespan, and energy consumption towards more sustainable and cost-effective water purification processes.
https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138683
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