Crossflow Microfiltration of particle Suspensions - The influence of hydrodynamics and physico-chemical interactions

Abstract: Popular Abstract in Swedish Tvärströms mikrofiltrering är en teknik för att avskilja partiklar med en storlek på ungefär en mikrometer (en tusendel av en millimeter) från vätskor. Exempel på tillämpningar är avskiljning av jästceller från öl, och avskiljning av bakterier från mjölk. I mikrofiltrering används membran (filter) med porer med en storlek på 0.1 - 10 mikrometer. Mikrofiltreringsmembran har i princip höga flux vid relativt låga transmembrantryck, men i praktiken sjunker denna höga kapacitet ofta ganska snabbt på grund av fouling. För att minska fouling används ett tvärströmsflöde (crossflow) som ökar partikeltransporten från membranet, och på så sätt delvis hejdar partiklarna från att sätta igen membranet. Foulingtendenser kan också påverkas av ytladdningen av både membranet och partiklarna. Målet med forskningen beskriven i denna avhandling är att få kunskap om vilka mekanismer som bestäm- mer partikeltransport och flux vid tvärströms mikrofiltrering. Viktiga mekanismer, som Brownsk diffusion, skjuvkraft-inducerad diffusion, turbulent diffusion och transport på grund av partiklarnas ytladdning, har beskrivits noggrant. En matematisk modell har utvecklats för att beräk- na permeatfluxet. God överensstämmelse erhölls mellan modell och experimentella flux vid mikro- filtrering av kiselpartikelsuspensioner. Skjuv- kraft-inducerad diffusion verkade vara den viktigaste partikeltransport-mekanismen för partiklar med en storlek av ungefär en mikrometer, men partiklarnas ytladdning kan bidra substan- tiellt till partikeltransporten. Inte bara mängden av fouling, men även foulingens reversibilitet beror på transmembrantrycket och partiklarnas ytladdning. Filterkakor byggda av partiklar med högre ytladdning är mer reversibla. En ny metod har utvecklats för att bestämma mem- branets zetapotential (ett mått på membranets ytladdning). Denna metod använder vattenpermeabi- litetsmätningar vid olika pH och saltkoncentra- tioner. Från ökningen av permeabiliteten med ökande saltkoncentration kan man beräkna zeta- potentialen. Metoden har jämförts med tidigare, mer besvärliga, metoder för att bestämma zeta- potentialen och god överensstämmelse erhölls. Det visade sig att membranets zetapotential inte har någon större inverkan på foulingtendenser vid mikrofiltrering av partiklar med en storlek på ungefär en mikrometer.