بررسی عددی تغییرات فشار انتقال غشایی در سیستم‌های اولترافیلتراسیون با تغییر در هندسه سطح داخلی الیاف توخالی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

4 دانشجوی دکترای مهندسی عمران آب و سازه‌های هیدرولیکی، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده

فرایندهای غشایی از جمله مهم‌ترین روش‌های جداسازی هستند که در تصفیه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می‌گیرند. غشاهای الیاف توخالی به‌دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا در بسیاری از فرایندهای جداسازی استفاده می‌شوند. با توجه به اینکه تخلخل و نفوذپذیری محیط متخلخل به مشخصات هندسی آن بستگی دارد، تغییر در هندسه محیط، باعث تغییر در مقدار و عملکرد تخلخل و نفوذپذیری می‌شود. در این پژوهش، مدل‌سازی ریاضی بر اساس هندسه الیاف، به سه دسته دایروی، مربعی و بیضوی تقسیم‌بندی شد و مشخصات هندسی آنها بر اساس سه استراتژی محاسبه شد. به‌منظور بررسی اثر مورد نظر، محیط شامل الیاف توخالی، به‌صورت یک محیط دومتخلخله در نظر گرفته شد. نتایج نشان داد که نسبت سطح به حجم غشای الیاف توخالی و نفوذپذیری محوری در هندسه‌های مربعی و بیضوی، از الیاف دایروی معمول بزرگ‌تر بوده و به ترتیب تا حداکثر 27 و 63 درصد افزایش یافته است. همچنین هم‌ ارزی شعاع دایره محاطی هندسه جدید با شعاع داخلی الیاف معمولی برای همه الیاف، از دایره کمتر بود که نتیجه مطلوبی است و باعث کاهش انرژی مصرفی و هزینه بهره‌برداری از سیستم می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Analysis of Transmembrane Pressure Changes in UF Systems by Changing the Geometry of the Inner Surface of Hollow Fibers

نویسندگان [English]

  • Bahareh Pirzadeh 1
  • Davod Mohebbi-Kalhori 2
  • Samira Ghotbi 3
  • Azam Abdollahi 4
1 Assist. Prof., Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Assist. Prof., Chemical Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
3 MSc Student, Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
4 PhD Student, Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
چکیده [English]

Membrane processes are one of the most important separation methods in water and wastewater treatment processes. Hollow fiber membranes are used in many separation processes due to their high surface area to volume ratio. Since porosity and permeability of porous media depend on its geometric features, a change in the geometry leads to changes in these value and the performance of the system. In this study, a mathematical modeling was made for three fiber geometry categories; including circular, square and elliptical and the geometric features were calculated based on three strategies. In order to investigate the effect of geometry, a double porosity media was considered. Results showed that the ratio of surface area to volume of hollow fiber membranes and the axial permeability in square and elliptic geometries are usually higher than circular fibers and are increased to a maximum value of 27% and 63%, respectively. Also, in a strategy, equivalence of the radius of the inspirational circle of the new geometry with the inner radius of ordinary fibers was less than the circular fiber, which was a desired result and caused a decrease in energy consumption and operation cost of the system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hollow Fibers
  • Inner Geometry
  • Surface Area
  • Filtration
  • Transmembrane Pressure
Azzouz, H., 2004, The dependence of the cross-sectional shape on the hydraulic resistance of microchannels, 3-Weeks Course Report, Department of Micro and Nanotechnology, Technical University of Denmark, Denmark.

 Bear, J. & Braester, C., 1972, "On the flow of two immscible fluids in fractured porous media", Developments in: Soil Science, 2, 177-202.

Bonyadi, S., Chung, T.S. & Krantz, W.B., 2007, "Investigation of corrugation phenomenon in the inner contour of hollow fibers during the non-solvent induced phase-separation process", Journal of Membrane Science, 299(1), 200-210.

Borsi, I. & Lorain, O., 2012, "A space-averaged model for hollow fibre membranes filters", Computers & Chemical Engineering, 39, 65-74.

Costa, A., 2006, "Permeability-porosity relationship: A reexamination of the Kozeny-Carman equation based on a fractal pore-space geometry assumption", Geophysical Research Letters, 33(2), doi: 10.1029/2005GL025134.

Culfaz, P.Z., Wessling, M. & Lammertink, R.G.H., 2011, "Fouling behavior of microstructured hollow fiber membranes in submerged and aerated filtrations", Water Research, 45(4), 1865-1871.

Culfaz, P.Z., Wessling, M. & Lammertink, R.G.H., 2011, "Hollow fiber ultrafiltration membranes with microstructured inner skin", Journal of Membrane Science, 369(1), 221-227.

Happel, J., 1959, "Viscous flow relative to arrays of cylinders", AIChE Journal, 5(2), 174-177.

Howell, J., Sanchez, V. & Field, R.W., 2012, "Membranes in bioprocessing: Theory and applications", Springer Science & Business Media.

Khademi, R., Mirian, S. S. & Mohebbi-Kalhori, D., 2012, "Investigation of effect of different parameters on caffeine separation from aqueous solution by hollow membrane fibers using computational fluid dynamics", 3rd Conference Separation Science and Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran.
(In Persion)

Mayer, A. & Hassanizadeh, S.M., 2005, Soil and groundwater contamination: Nonaqueous phase liquids, principles and observations, (Vol. 17), American Geophysical Union.

Moradi, E., 2014, "Numerical simulation of natural gas sweetening in a hollow-fiber membrane contactor", MSc Thesis, University of Sistan and Baluchestan, Iran. (In Persion)

Mortensen, N.A., Okkels, F. & Bruus, H., 2005, "Reexamination of Hagen-Poiseuille flow: Shape dependence of the hydraulic resistance in microchannels", Physical Review E, 71(5), 057301.

News, 2016, "GE UF modules reduce operating costs and increase energy efficiency", Membrane Technology, 9, 2-3.

Nijdam, W., De Jong, J., Van Rijn, C.J.M., Visser, T., Versteeg, L., Kapantaidakis, G., et al., 2005, "High performance micro-engineered hollow fiber membranes by smart spinneret design", Journal of Membrane Science, 256(1), 209-215.

Pearce, G.K., 2008, "A cost optimization study of flux and fouling rate for UF in the water industry", Water Science and Technology: Water Supply, 8(1), 113-120.

Peng, N., Widjojo, N., Sukitpaneenit, P., Teoh, M.M., Lipscomb, G.G., Chung, T.S., et al., 2012, "Evolution of polymeric hollow fibers as sustainable technologies: Past, present, and future", Progress in: Polymer Science,  37(10), 1401-1424.

Peters, A.M., Lammertink, R.G. & Wessling, M., 2008, "Comparing flat and micro-patterned surfaces: Gas permeation and tensile stress measurements", Journal of Membrane Science, 320(1), 173-178.

Shahmirzadi, M. & Hossini, S., 2015, "Technical note: Environmental aspects of brine management in seawater desalination", Journal of Water Research, 10(3), 104-112. (In Persion)

Shirzadi, N., Hassani, A.H., Torabian, A. & Javid, A. H., 2014, “Evaluation of the MF/UF performance for the reuse of sand filter backwash water from drinking water treatment plants", Journal of Water and Wastewater, 26(2), 95-103. (In Persion)

Wan, C.F., Yang, T., Lipscomb, G.G., Stookey, D.J. & Chung, T.S., 2017, "Design and fabrication of hollow fiber membrane modules", Journal of Membrane Science, 538, 96-107.

Wang, P., Luo, L. & Chung, T.S., 2014, "Tri-bore ultra-filtration hollow fiber membranes with a novel triangle-shape outer geometry", Journal of Membrane Science, 452, 212-218.

Zuo, J., Chung, T.S., O’Brien, G.S. & Kosar, W., 2017, "Hydrophobic/hydrophilic PVDF/Ultem® dual-layer hollow fiber membranes with enhanced mechanical properties for vacuum membrane distillation", Journal of Membrane Science, 523, 103-110.

Zhu, A., Christofides, P.D. & Cohen, Y., 2009, "Energy consumption optimization of reverse osmosis membrane water desalination subject to feed salinity fluctuation", Industrial & Engineering Chemistry Research, 48(21), 9581-9589.