Optimization of Operation Parameters in Ultrafiltration by Experiment Design, Mathematical Modelling and Fouling Characterization of the Membranes Used to Remove Dissolved and Colloidal Substances from a Treated Paper Mill Effluent

[ES] En la presente Tesis Doctoral se investigó la aplicación del proceso de ultrafiltración (UF) y el fenómeno de ensuciamiento de las membranas en la eliminación de sustancias disueltas y coloidales (DCS) de efluentes tratados de la industria papelera (PMTE) para su reutilización en los diferentes...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Santos Sousa, Mayko Rannany
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2020
País:España
Institución:Universitat Politècnica de València (UPV)
Repositorio:RiuNet. Repositorio Institucional de la Universitat Politécnica de Valéncia
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:riunet.upv.es:10251/155975
Acceso en línea:https://riunet.upv.es/handle/10251/155975
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Ultrafiltration
Paper mill treated effluent
Colloidal and dissolved substances
Membrane fouling
Foulants identification
Mathematical modelling
Optimization
DOE
Taguchi method
INGENIERIA QUIMICA
Descripción
Sumario:[ES] En la presente Tesis Doctoral se investigó la aplicación del proceso de ultrafiltración (UF) y el fenómeno de ensuciamiento de las membranas en la eliminación de sustancias disueltas y coloidales (DCS) de efluentes tratados de la industria papelera (PMTE) para su reutilización en los diferentes procesos de fabricación de papel y cartón reciclado. El objetivo general de esta investigación se dividió en tres partes principales: i) describe cómo encontrar las condiciones óptimas de operación de cuatro parámetros de proceso: presión transmembrana (TMP), velocidad de flujo cruzado (CFV), temperatura y corte de peso molecular (MWCO) para maximizar el flujo promedio de permeado (Jp) y rechazo de la demanda química de oxígeno (COD) y minimizar el descenso del flujo de permeado acumulado (SFD) utilizando el método de Taguchi (Design Robusto) y utility concept aplicado a un proceso de UF a flujo cruzado, para remover DCS de efluentes tratados de la industria papelera, ii) el descenso del flujo de permeado y los mecanismos de ensuciamiento de las membranas de UF ensuciadas con PMTE se examinaron mediante modelos matemáticos semi-empíricos. Los resultados para los diferentes ensayos de UF se expresaron en términos de variación del Jp en función del tiempo para verificar la precisión del ajuste (mayor valor de R2 y menor valor de desviación estándar) de los distintos modelos de Hermia adaptados a flujo tangencial y del modelo de formación de torta en filtración a presión constante ajustados a los datos experimentales, y iii) describe métodos de identificación, caracterización y posibles orígenes de las sustancias contaminantes (foulants) en las membranas de UF. Técnicas como el análisis físico-química, FESEM, SEM-EDS, ATR-FTIR y 3DEEM se llevaron a cabo para comprender qué fracción de los contaminantes son responsables por la formación de incrustaciones en las membranas. Los resultados obtenidos durante la etapa de optimización de parámetros del procesos demostraron que TMP y MWCO tienen la mayor contribución en el Jp y SFD. En el caso de la tasa de rechazo de COD, los resultados mostraron que MWCO tiene la mayor contribución seguida de CFV. Por consiguiente, las condiciones óptimas se encontraron para el segundo nivel de TMP (2.0 bar), el tercer nivel del CFV (1.041 m/s), el segundo nivel de la temperatura (15°C) y el tercer nivel de MWCO (100 kDa). Bajo estas condiciones óptimas de operación Jp, rechazo de COD y SFD alcanzaron respuestas de 81.15 L/m2.h, 43.90% y 6.01 (alrededor de 28.96 % para (FD), respectivamente, valores dentro del rango previsto del intervalo de confianza del 95%. Además, los modelos de Hermia adaptados a UF en flujo tangencial fueron capaces de predecir con gran precisión el descenso del Jp y los mecanismos de ensuciamiento en función del tiempo para todas las membranas seleccionadas (10, 30 y 100 kDa) y bajo diferentes condiciones ensayadas de UF. Por lo tanto, los modelos que presentan un mayor grado de ajuste son el bloqueo completo de poros (coeficiente de determinación R2 >0.97) y bloqueo intermedio (R2 >0.96), seguido por el modelo de formación de torta (R2 >0.94), lo que indica que estés son los principales mecanismos de ensuciamiento de las membranas. Análisis de 3DEEM revelaron que la mayoría de la materia orgánica fluorescentes en las membranas sucias eran proteínas coloidales (componentes similares a proteínas I + II) y proteínas macromoleculares (componentes similares a SMP). Además, polisacáridos (especie celulósica) y sustancias como ácidos grasos y resinosos fueron identificadas en las membranas contaminadas mediante análisis ATR-FTIR. Por fin, análisis SEM-EDS para las membranas ensuciadas con PMTE se detectó concentración de contaminantes inorgánicos (iones metálicos multivalentes) especialmente el Ca2+ que podría acelerar la formación torta en la superficie de la membrana.

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