Data-driven modelling of micro and ultra - filtration processes

Abstract

The microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) processes are widely used in several industrial and research fields, and different enterprises have emerged to develop enhancements and new designs of such technologies. Nevertheless, some drawbacks related to process operation, namely concentration polarization and fouling, keep membranes from spreading in all industrial sectors. Concentration polarization and fouling are the main problems in MF and UF to be managed in order to design a separation process. Dynamic operation strategies are used to mitigate adverse effects of polarization and fouling and improve the separation performance. Nevertheless, there is a balance among the operational conditions to reach the desired effects. In this research, two hybrid mathematical models are developed and tuned to represent the concentration polarization phenomena in dynamic UF of dextran T500. Such models yield an adjusted determination coefficient of 0.9185 and 0.9626, respectively, and can predict the concentration at the membrane surface, the flux and the observed rejection. The results display the intensifying effect of dynamic operation by decreasing the Molecular Weight Cut-Off (MWCO) of the membrane up to 74 times without reducing the flux. The experimental data from literature and herein developed hybrid models provide system insights for membrane systems design where the selectivity can be enhanced and tunned according to operating conditions rather than the membrane pore size. The best hybrid mathematical model is used to explore the UF system under dynamic operation at different scenarios aiming to provide further system understanding. With this focus, a sensitivity analysis is accomplished in order to evaluate the separation performance in terms of flux and rejection factor as a function of input variables: backshock time (BS), time between backshocks (TBBS), dextran bulk concentration (Cb). The sensitivity analysis allows finding operational regions where high fluxes can be achieved while keeping acceptable rejection factor. Aiming to highlight the advantages of applying dynamic operation instead of conventional filtration, a comparative analysis is performed between a membrane with low MWCO under conventional cross-flow operation and a membrane with high MWCO under dynamic operation. Concentration polarization effect is analyzed and explained by concentration polarization modulus. This modulus is defined as the ratio between concentration at the membrane surface and the bulk concentration. Values as high as 160 for this modulus have a negative impact on selectivity, while values close or lower than 34 improve separation. Average flux can be enhanced up to 43.8 % with BS = 1 s and TBBS = 5 s. With respect to the comparative analysis, membrane cost savings reach values around 50 % by operating a membrane of high MWCO under dynamic conditions. Mathematical modeling in dynamic ultrafiltration is a key tool, from a process system engineering perspective, to assess the separation performance under different operating conditions. The hybrid mathematical model developed in this research allows optimization of operation through sensitivity analysis, and allows designing of the separation process given a definite concentration target, in the context of dextran ultrafiltration. (Texto tomado de la fuente)

Los procesos de microfiltración (MF) y ultrafiltración (UF) se utilizan ampliamente en varios campos industriales y de investigación, y han surgido diferentes empresas para desarrollar mejoras y nuevos diseños de dichas tecnologı́as. Sin embargo, algunos inconvenientes re- lacionados con la operación del proceso, a saber, la polarización de la concentración y el ensuciamiento, impiden que el uso de las membranas se extienda en todos los sectores indus- triales. La polarización de la concentración y el ensuciamiento son los principales problemas en MF y UF que deben gestionarse para diseñar un proceso de separación. Las estrategias de operación dinámica se utilizan para mitigar los efectos adversos de la polarización y el ensuciamiento y mejorar el rendimiento de la separación. No obstante, existe un equilibrio entre las condiciones operativas para alcanzar los efectos deseados. En esta investigación, se desarrollan y ajustan dos modelos matemáticos hı́bridos para representar los fenómenos de polarización de la concentración en la UF dinámica de dextrano T500. Dichos modelos arro- jan un coeficiente de determinación ajustado de 0.9185 y 0.9626, respectivamente, y pueden predecir la concentración en la superficie de la membrana, el flujo y el rechazo observado. Los resultados muestran el efecto intensificador de la operación dinámica al disminuir el MWCO de la membrana hasta 74 veces sin reducir el flujo. Los datos experimentales de la literatura y los modelos hı́bridos desarrollados en este documento brindan información sobre el sistema para el diseño de sistemas de membrana donde la selectividad se puede mejorar y ajustar de acuerdo con las condiciones operativas en lugar del tamaño de poro de la membrana. El mejor modelo matemático hı́brido se utiliza para explorar el sistema de UF en funcionamiento dinámico en diferentes escenarios con el objetivo de proporcionar una mayor comprensión del sistema. Con este enfoque, se realiza un análisis de sensibilidad para evaluar el desempeño de la separación en términos de flujo y factor de rechazo en función de las variables de entrada: duración del backshock (BS), tiempo entre backshocks (TBBS) y concentración de dextrano (Cb). El análisis de sensibilidad permite encontrar regiones ope- rativas donde se pueden lograr flujos elevados manteniendo un factor de rechazo aceptable. Con el objetivo de resaltar las ventajas de aplicar la operación dinámica en lugar de la filtra- ción convencional, se realiza un análisis comparativo entre una membrana con bajo MWCO en operación convencional de flujo cruzado y una membrana con alto MWCO en operación dinámica. El efecto de la polarización de la concentración se analiza y explica mediante el módulo de polarización. Este módulo se define como la relación entre la concentración en la superficie de la membrana y la concentración en el seno del fluido. Valores tan altos como 160 para este módulo tienen un impacto negativo en la selectividad, mientras que valores cercanos o inferiores a 34 mejoran la separación. El flujo medio puede aumentarse hasta un 43,8 % con BS = 1 s y TBBS = 5 s. Con respecto al análisis comparativo, los ahorros en costos de membrana alcanzan valores en torno al 50 % al operar una membrana de alto MW- CO en condiciones dinámicas. El modelado matemático en ultrafiltración dinámica es una herramienta clave, desde la perspectiva de la ingenierı́a de sistemas de procesos, para evaluar el rendimiento de la separación en diferentes condiciones operativas. El modelo matemático hı́brido desarrollado en esta investigación permite la optimización de la operación a través del análisis de sensibilidad y permite diseñar el proceso de separación dado un objetivo de concentración definido, en el contexto de la ultrafiltración de dextrano.