SUPERVISOR
Masoud Haghshenas fard,Ahmad Moheb
مسعود حق شناس فرد (استاد مشاور) احمد محب (استاد راهنما)
STUDENT
Mahdi Motamedi
مهدی معتمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
An experimental study on the effect of flow direction in nanofiltration with radial and vertical flow with stagnation point
Many researchers have focused their studies on the effects of different parameters on the membrane fouling formation during filtration processes and its effects on the membrane performance. Among these parameters, one the most important ones is the feed flow situation. In general, two types of feed flow namely cross-flow and dead-end are used in filtration processes. There is a quite large number of published papers on the effects of flow type on the permeate flux and membrane rejection, but based on our literature review, so far no research has been done on the effect of using stagnation point feed flow on the performance of membrane filtration systems. Therefore, in this research the effects of implementing stagnation point flow on the nano-filtration process was investigated. To this aim, nano-filtration experiments were performed by using NF90 membrane and aqueous magnesium sulfate solution as a model feed solution. At the first part of experiments, a circular module was designed and built which gave us the ability to investigate the stagnation point flow in two different modes. In one case the feed entered the cell from the top and flew perpendicular to the membrane surface and then by reaching the stagnation point the liquid feed continued its passage radially in the cell parallel to the membrane surface and finally left the cell. In the second case, the flow was initially in the radial direction parallel to the membrane surface and then at the center of the membrane surface direction change occurred and liquid left the cell perpendicularly relative to the membrane surface. Three levels were chosen for each of the operating parameters of feed concentration (500, 1000 and 1500 ppm), feed flow rate (2, 2.75 and 3.5 liters per minute), and feed pressure (5, 10 and 15 bar) to run the experiments, and the effects of these parameters on the permeate flux and membrane rejection were investigated and compared. At the second part of the work, some experiments were carried out to investigate the membrane rejection variation and flux reduction of permeated flow with time. These experiments lasted 200 minutes, and the concentration, flow rate, and pressure of the feed flow in this set of experiments were 1000 ppm, 2 and 3.5 liters per minute, and 5 and 10 bar, respectively. Also, some cross-flow filtration experiments by using a rectangular cell were done at the same operating conditions to compare them with the stagnation point experiments. Moreover, three longterm experiments of 10 hours were performed to compare the results. From the first part of the work, it was found that the permeation flux and membrane rejection for the stagnation point flow from the top was more than those of the radial stagnation flow, which in turn was higher than those of crossflow process. Also, it was observed that by increasing the pressure from 5 bar to 15 bar, on average. the permeation flux increased by 90% for both types of stagnation flows. Moreover, increasing the feed pressure enhanced the membrane rejection for the stagnation point modes, whereas it had reverse effect on the rejection of cross-flow process. Finally, for the experiments carried out with stagnation point flow with the flow entering perpendicular to the membrane surface and at the feed pressure of 15 bar, the highest membrane rejection of 99.5% and the lowest permeate flux reduction during long term experiments were achieved.
تاکنون پژوهش های زیادی به منظور برر سی اثر عوامل مختلف روی ت شکیل الیه ر سوبی و اثر آن روی عملکرد غ شا انجام شده ا ست. از جمله این عوامل نوع و و ضعیت جریان می باشد. دو جریان مرسوم مورد استفاده در فرایند فیلتراسیون غشایی جریان موازی با غشا و جریان عمودی با انتهای ب سته می با شد که پژوهش هایی درمورد این دو جریان در فرایند های فیلترا سیون غ شایی و اثر این دوجریان بر شار و نرخ پس زنی جریان عبوری صورت گرفته ا ست. بر ا ساس مطالعات صورت گرفته تاکنون پژوه شی در زمینه فرایندهای غ شایی با ا ستفاده از جریان نقطه سکون صورت نگرفته ا ست. از این رو پژوهش حا ضر به منظور برر سی این جریان بر عملکرد غ شای نانوفیلترا سیون طراحی گردید. این پژوهش با استفاده از غشای نانوفیلتراسیون NF90 و محلول خوراک آب و منیزیم سولفات برای بررسی اثر جریان در دو بخش انجام شد. در ابتدا برای دو جریان نقطه سکون ورودی از باال و جداره ماژول، در سه غلظت ppm 500 ،1000 و 1500 و سه فشار 5 ، 10 و 15 بار و سه دبی جریان خوراک 2 ،75/2 و 5/3 لیتر بر دقیقه، شارو نرخ پسزنی جریان عبوری از غشا بررسی و مقایسه شدند. در جریان ورودی از باالی ماژول، جریان به صورت عمود به غ شا نزدیک می شود و پس از ر سیدن به سطح غ شا مولفه عمودی سرعت صفر و به صووورت موازی از ماژول غشووایی خارم میگردد، برای جریان ورودی از جداره ماژول وضووعیت عکس میباشوود یعنی جریان به صووورت موازی وارد و عمود بر سطح غ شا خارم می شود. در بخش دوم، آزمایشهایی به منظور برر سی چگونگی تغییرات نرخ پسزنی و کاهش شار جریان عبوری از غ شا با زمان در غلظت خوراک ppm 1000 ، ف شارهای جریان خوراک 5 و 10 بارو دبی های 2 و 5/3 لیتر بر دقیقه برای دو جریان نقطه سکون اشاره شده و همچنین جریان موازی با غشا طراحی گردید. مدت زمان انجام آزمایشها 200 دقیقه بود. همچنین سه آزمایش طوالنی مدت 10 ساعته برای این سه جریان ورودی به ماژول انجام شد و میزان نرخ پس زنی و شار جریان عبوری از غ شاهر 30 دقیقه یک بار اندازه گیری و محاسوبه شودند. مشوخش شود که فوکس و نرخ پسزنی جریان عبوری از غشوا برای جریان نقطه سوکون ورودی از باالی ماژول نسبت به دو جریان نقطه سکون ورودی از جداره ماژول و موازی با غشا بیشتر است. همچتین مشاهده گردید که با افزایش ف شار از 5 بار به 10 بار و از 10 بار به 15 بار، به طور میانگین، شار جریان عبوری از غ شا برای دو جریان نقطه سکون ورودی از باال و جداره ماژول به میزان 90 درصوود افزایش یافته اسووت. در دو جریان نقطه سووکون ورودی از باال و جداره ماژول با افزایش فشووار جریان خوراک، میزان نرخ پسزنی جریان عبوری از غشوووا افزایش مییابد اما برای جریان موازی با غشوووا، نرخ پسزنی با افزایش فشوووار کاهش مییابد. در آزمایش های بخش دوم مشووواهده شووود که درفشوووار 15 بار، میزان نرخ پسزنی برای جریان ورودی از باالی ماژول در برخی زمانها به حدود 5/99 درصود میرسود. در این آزمایشها مشوخش شود که افت شوار جریان عبوری از غشوا برای جریانهای نقطه سوکون ورودی از باال و جداره ماژول نسبت به جریان موازی با غشا خصوصا در فشار 15 بار جریان خوراک، کمتر میباشد.