Estudio del comportamiento de una membrana de nanofiltración de bajo ensuciamiento frente a disoluciones iónicas. Desarrollo de metodologías de ajuste de los parámetros del modelo DSPM con efectos dieléctricos

Abstract

Nanofiltration modelling requires a deep understanding of the different separation mechanisms involved and their importance in nanofiltration performance for different solutions. In this context, the first part of the thesis approaches the characterization of the commercial membrane ESNA1-LF2 through the study of the experimental results for synthetic ionic solutions in the range of brackish waters and, more specifically, the natural brackish groundwaters of the Valencian Community. The effect of the feed composition and concentration, and pressure on the results obtained with the membrane was studied at a laboratory scale working with a flat module. Variations in permeate flux and rejection due to fouling phenomena were also studied with synthetic solutions of organic compounds, confirming the classification of the ESNA1-LF2 membrane within the low fouling membranes. In order to predict the membrane perfomances with nanofiltration models, it is necessary to determine the characteristic parameters of the models for a given feed and operating conditions. Thus, the second part of the thesis is focused on the application of the Donnan Steric-Partitioning Pore Model (DSPM) with dielectric exclusion to the results obtained with the different ionic solutions and on the determination of the five characteristic parameters of this model: pore radius (rp), effective membrane thickness (¿x/Ak), membrane charge density (Xdq and XdS) and pore dielectric constant (¿p). Firstly, a first-order sensitivity analysis was performed with results obtained by simulation, evaluating the changes of the output model variables (permeate flux and rejection) with the variation of each parameter. Only rp and ¿x/Ak have influence on the permeate flux results while rp and ¿p resulted the key parameters for rejection calculation. Model parameters can be determined directly or indirect by fitting the model with experimental results. In the present thesis, two indirect methodologies for the model parameters determination were used with the ESNA1-LF2 membrane results for the different ionic solutions studied. Thus, an individually determination of each parameter and a simultaneous determination of all parameters by fitting the model with a single set of experimental results were performed. To determine the best set of experiments for this simultaneous determination, a methodology based on simulation results is proposed which allow to evaluate a large number of combinations of experiments. The two groups of parameters obtained by both methodologies were validated by comparing the experimental results and those predicted by the model, obtaining unequal results for different feed compositions. The time validity for the values of the parameters for a continuous use of the membrane was verified by its determination before and after the fouling tests with organic compounds, obtaining only a significant variation of the parameter ¿x/Ak due to the observed decrease in membrane permeability.

La modelización de los procesos de nanofiltración necesita del conocimiento profundo de los distintos mecanismos de separación involucrados y de la importancia de los mismos en el rendimiento del proceso frente a distintas disoluciones. En este contexto, una parte de esta tesis se centra en la caracterización de la membrana comercial ESNA1 LF2 mediante el estudio de resultados experimentales con disoluciones sintéticas iónicas en el rango de las aguas salobres y, más concretamente, en el de las aguas salobres naturales subterráneas de la Comunidad Valenciana. Se estudió el efecto de la composición y concentración de la alimentación y de la presión en los resultados obtenidos con la membrana, a escala de laboratorio trabajando con un módulo plano. También se estudiaron las variaciones en la densidad de flujo de permeado y rechazo debidas a fenómenos de ensuciamiento mediante ensayos con disoluciones sintéticas de compuestos orgánicos, confirmándose la categorización de la membrana ESNA1-LF2 dentro de las membranas de bajo ensuciamiento. Para poder predecir el rendimiento de las membranas con modelos de nanofiltración, es necesaria la determinación de los parámetros característicos de los mismos para un tipo de alimentaciones y condiciones operativas determinadas. Así, la segunda parte de la tesis se centra en la aplicación del modelo Donnan Steric-Partitioning Pore Model (DSPM) con efectos dieléctricos a los resultados obtenidos con las distintas disoluciones iónicas y a la determinación de los cinco parámetros característicos del mismo: radio de poro de la membrana (rp), espesor efectivo de la membrana (¿x/Ak), densidad de carga de la membrana (Xdq y XdS) y constante dieléctrica en el poro (¿p). En primer lugar, se realizó un análisis de sensibilidad de primer orden de las variables de salida del modelo (densidad de flujo de permeado y rechazo) frente a la variación de cada parámetro, mediante resultados obtenidos por simulación. Sólo rp y ¿x/Ak influyen en los resultados de densidad de flujo de permeado mientras que rp y ¿p resultaron los parámetros clave a la hora de calcular el rechazo. La determinación de los parámetros del modelo puede ser directa, o indirecta a partir del ajuste de resultados experimentales. En la presente tesis se utilizaron dos metodologías de obtención indirecta con los resultados de la membrana ESNA1-LF2 para las disoluciones iónicas estudiadas. Así, se realizó la obtención de cada parámetro individualmente y la obtención de todos los parámetros simultáneamente mediante el ajuste de un único grupo de resultados experimentales. Para determinar el mejor conjunto de resultados experimentales para dicha obtención simultánea se propone una metodología que permite evaluar un gran número de combinaciones mediante resultados obtenidos por simulación. El grupo de parámetros obtenidos mediante una y otra metodología fueron validados mediante la comparación de los resultados experimentales y los predichos por el modelo, obteniendo resultados desiguales dependiendo de la composición de la alimentación. El estudio de la validez en el tiempo de los parámetros para un uso continuado de la membrana se realizó mediante la determinación de los mismos antes y después de los distintos ensayos de ensuciamiento con compuestos orgánicos realizados, obteniéndose únicamente una variación significativa del parámetro ¿x/Ak debido a la disminución observada de la permeabilidad de la membrana.

La modelització de processos de nanofiltració necessita del coneixement en profunditat dels diferents mecanismes de separació que involucra i de la seua importància en el rendiment amb diferents dissolucions. En aquest context, una part de la tesi es centra en la caracterització de la membrana comercial ESNA1-LF2, mitjançant l'estudi de resultats experimentals per a dissolucions sintètiques iòniques en el rang de les aigües salobres i, mes concretament, en el de les aigües salobres naturals subterrànies de la Comunitat Valenciana. Es va estudiar l'efecte de la composició i concentració de l'aliment i de la pressió als resultats obtinguts amb la membrana, a escala de laboratori i treballant amb un mòdul pla. També s'estudiaren les variacions en la densitat del flux de permeat i rebuig degudes a fenòmens d'embrutiment mitjançant assajos amb dissolucions sintètiques de compostos orgànics, confirmant-se la categorització de la membrana ESNA1-LF2 dins de les membranes de baix embrutiment. Per poder fer la predicció del rendiment de les membranes amb models de nanofiltració, es necessari determinar els paràmetres característics d'estos models per a un aliment i condicions operatives determinades. Així, la segona part de la tesi es centra en l'aplicació del model Donnan Steric-Partitionig Pore Model (DSPM) amb efectes dielèctrics als resultats obtinguts amb les diferents dissolucions iòniques i a la determinació dels cinc paràmetres característics d'este model: radi de porus de la membrana (rp), espessor efectiu de la membrana (¿x/Ak), densitat de carrega de la membrana (Xdq y XdS) i constant dielèctrica en el porus (¿p). En primer lloc, es va realitzar un anàlisi de sensibilitat de primer orde de les variables d'eixida del model (densitat de flux de permet i rebuig) enfront de la variació de cada paràmetre, per mitjà de resultats obtinguts per simulació. Només rp i ¿x/Ak influïxen en els resultats de densitat de flux de permeat, mentre que rp i ¿p van resultar els paràmetres clau a l'hora de calcular el rebuig. La determinació dels paràmetres del model pot ser directa, o indirecta a partir de l'ajust de resultats experimentals. En la present tesi es van utilitzar dos metodologies d'obtenció indirecta amb els resultats de la membrana ESNA1-LF2 per a les dissolucions iòniques estudiades. Així, es va realitzar l'obtenció de cada paràmetre individualment i l'obtenció de tots els paràmetres simultàniament per mitjà de l'ajust d'un únic grup de resultats experimentals. Per a determinar el millor conjunt de resultats experimentals per a la dita obtenció simultània es proposa una metodologia, que permet avaluar un gran nombre de combinacions per mitjà de resultats obtinguts per simulació. El grup de paràmetres obtinguts per mitjà de l'una i l'altra metodologia van ser validats per comparació dels resultats experimentals i dels predits pel model, obtenint resultats desiguals depenent de la composició de l'aliment. L'estudi de la validesa en el temps dels paràmetres, per a un ús continuat de la membrana, es va realitzar per mitjà de la determinació dels mateixos abans i després dels distints assajos d'embrutiment amb compostos orgànics, obtenint-se únicament una variació significativa del paràmetre ¿x/Ak, causada per la disminució observada en la permeabilitat de la membrana.