Annons Svenskt Vatten 2023 Svenskt Vatten 2023

Hålfiber nanofilter (HFNF) membran för beredning av ytvatten – utvärdering av prestanda i pilotskala

Internationell VA-utveckling 7/22

Fyra membrantyper olika hålfiber nanofilter membran har använts i försöka för att undersöka hur material och uppbyggnad skiljer dem åt. Syftet med studien är att jämföra prestandan för dessa med ett och samma ytvatten och utvärdera deras potenital för uppskalning.

Av: Thor Wahlberg

Beredning av råvatten med nanofiltrering innebär att naturligt organiskt material (NOM) kan avskiljas effektivare än med mikro- eller ultrafiltrering i kombination med koagulering och flockulering men med vid högre tryck. En hög avskiljning av NOM gör att en efterföljande klorering bildar betydligt mindre mängd hälsofarliga desinfektionsbiprodukter. Nanofilter kan också avskilja tvåvärda joner och syntetiska organiska föreningar beroende på storlek (200 – 500 Dalton). Den dominerande typen av nanofilter är spirallindade vilka har en hög specifik yta men begränsade möjligheter att tvättas. Här erbjuder HFNF ett bättre alternativ då de kan backspolas och tvättas med baser, syror och klor. HFNF togs fram runt millenieskiftet och utvecklingen tog fart ordentligt efter år 2010.

Nyligen har fokus flyttats till HFNF membran med högre prestanda som ökad permeabilitet, selektivitet för vissa ämnen, mekanisk stabilitet och förbättrade antifouling egenskaper. De typer som tagits fram är bland annat tunnfilms-nanokomposit (TFN) membran vilka modifieras med bland annat titanoxid och grafen och Aquaporin*. I denna studie har fyra membrantyper använts, alla av typ hålfiber nanofilter membran. Material och uppbyggnad skiljer dem åt. Syftet med studien är att jämföra prestandan för dessa med ett och samma ytvatten och utvärdera deras potenital för uppskalning.

Material och metoder
I artikeln redogörs för hur membranen tillverkades för de pilotförsök som genomfördes med ytvatten från Ömerli lake reservoar i Turkiet. Utgångsmaterialet för tillverkningen av NF membranen var HF UF membran av polysulfone (PS) och polyvinylpyrrolidon (PVP 40 – 360 kDa). För att förstärka HFNF användes polyethylene (PET) textil fiber. HF UF membranen belades med ett tunt skikt genom polymerisation med titan, Aquaporin Z protein, grafen- eller silvernanopartiklar. Fyra olika varianter av HF NF membran valdes ut för de pilotförsök som genomfördes i denna studie; polymera NF TFC, polymera NF tunnfilmsnanokomposit (TFN) vilka är belagda med nanotitandioxid, förstärkta NF TFC och förstärkta NF TFC belagda med Aquaporin. En utförlig beskrivning över tillverkning av dessa HFNF membran finns i artikeln.

Det ytvatten som användes i försöken var ett vatten med i medeltal halt löst organiskt kol, DOC, 5,5 mg/l, hårdhet 7odH, turbiditet 2 NTU och SUVA (specifik UV absorbans) på 1,6 l/mg×m. I försöken tillämpades crossflow och ett tryck på feedsidan på 3 bar. Membranmodulerna beskickades kontinuerligt, förutom HFNF membran med Aquaporin Z protein. Totalt organisk kol (TOC), DOC, UV254nm. SUVA värden analyserades och beräknades. Konduktivitet, pH och turbiditet mättes på plats. Alkalinitet analyserades med en kolorimetrisk metod. Innan pilotförsöken genomfördes hade motsvarande försök genomförts i laboratorieskala. Under piloförsöken gjordes en jämförelse mellan fluxtal (liter per kvadratmeter och timme, s.k. flux) och MgSO4 rejection (avskiljning).

Resultat och diskussion
Membranens prestanda i både lab- och pilotskala var liknande vilket pekade på bra förmåga att skala upp. En membrantyp avvek och visade vitt skilda resultat och det var förstärkta HF TFC membran. Pilotskaleförsöken pågick under ca 150 h kontinuerlig drift. För specifik permeat flux i pilotskala rankades membranen från högst till lägst som följer; förstärkta HF integrerade med Aquaporin Z protein (6,30 l/m2×h), polymera tunnfilmsnanokomposit TFN (5,69 l/m2×h), förstärkta HF TFC membran (4,76 l/m2×h) respektive polymera tunnfilmsnanokomposit (TFC) (3,24 l/m2×h). Flux avtog kraftigt för polymera tunnfilmsnanokomposit TFN med 47,9 %, något för förstärkta HF integrerade med Aquaporin Z med 10,5 %. Övriga endast med 2 – 3%.

Studien utvärderade tillämpbarheten för olika typer av HFNF membran for beredning av ytvatten till dricksvatten. Membranen beskickades med snabbfiltrerat vatten från Ömerli lake reservoar, söder om Istanbul. HFNF membranen filtrerade med crossflow. Prestandan utvärderades genom flux och avskiljning av TOC, DOC, UV254nm, SUVA, alkalinitet total hårdhet, konduktivitet och turbiditet.

Prestandan avseende avskiljningsgrad för de olika membrantyperna. Försöken visade att TOC, UV254nm och SUVA kunde avskiljas för de förstärkta NF TFC membranen med 65,4 +/- 11 %, 85,4 +/- 3 % respektive 55,2 +/-10 %.  De förstärkta NF TFC membran visade en hög avskiljning av hårdhet 57,0 +/- 5 %, konduktivitet 44,6 +/- 3 %, alkalinitet 40,1 +/- 4 % och turbiditet 80,1 +/- 6 %. Däremot var fluxtalen högre för de förstärkta membran som var belagda med Aquaporin jämfört med de förstärkta TFC membranen. Polymera NF TFN hade de högsta fluxtalen men samtidigt den största minskningen av flux på grund av fouling. Förstärkta NF TFC och polymera NF TFC uppvisade ingen minskning av prestandan i det avseendet. Generellt avskiljdes hydrofoba och aromatiska organiska ämnen bättre än hydrofila. Vattenkvalitén från alla fyra membrantyperna uppfyllde dricksvattenstandarden.

Egna reflexioner
Utvecklingen av HFNF membran pågår och membran kommer att fortsätta utvecklas för avskiljning av specifika ämnen. Nanofiltermembran används för avskiljning av NOM. Med hålfiber nanofilter kan tillsättning av kemikalier (bas, syra och klor) göras under backspolning vilket effektivt motverkar fouling och återställer permeabilitet. Det är inte möjligt med spirallindade nanofilter membran. HFNF membran har en stor fördel i och med att fällningskemikalier inte behöver användas. Utveckling av denna typ av membran för fortsatt effektiv avskiljning av NOM men med lägre arbetstryck och med högre återvinning är önskvärd för en god driftsekonomi. Artikeln som redovisas här är en pusselbit i utvecklingen av hålfiber nanofilter membran för beredning av ytvatten.

*) Akvaporiner, även kallade vattenkanaler, är proteiner som bildar porer i biologiska cellers membran, vilka huvudsakligen underlättar transport av vatten mellan celler.

Källa: Reyhan Sengur-Tasdemir, Gusum Melker Urper-Bayram, Turker Turken, Esra Aten-Genceli, Volodymyr V. Tarabara, Ismail Koyuncu. Hollow fiber nanofiltration membranes for surface water treatment: Performance evaluation at the pilot Schale. By . Journal of Water Process Engineering (2021).

Annons Wateraid