Distributions of critical flux: modelling, experimental analysis and consequences for cross-flow membrane filtration

This paper discusses the distribution of critical flux (DCF) in cross flow filtration. These distributions are described here by a normal function with a mean critical flux and its standard deviation. The DCF model allows the description, through an analytical relationship, of the variation in steady state permeate flux with trans-membrane pressure. Both strong and weak forms of critical flux, which can be observed on a membrane operating in cross-flow mode, are depicted. A simple graphical method to determine the mean critical flux and its standard deviation from experimental results is derived from the theoretical model. The theoretical trends are compared to experimental data and show good agreement for cross flow filtration of latex and BSA suspensions. The distribution function parameters obtained by fitting the DCF model to experiments are compared to critical flux measured via a pressure step method. We thus propose a tool to analyse filtration results and to determine new global parameters for critical conditions (mean value and its standard deviation), which appears to be a good way to account for fouling complexity

Filtration method characterizing the reversibility of colloidal fouling layers at a membrane surface: analysis through critical flux and osmotic pressure

A filtration procedure was developed to measure the reversibility of fouling during cross-flow filtration based on the square wave of applied pressure. The principle of this method, the apparatus required, and the associated mathematical relationships are detailed. This method allows for differentiating the reversible accumulation of matter on, and the irreversible fouling of, a membrane surface. Distinguishing these two forms of attachment to a membrane surface provides a means by which the critical flux may be determined. To validate this method, experiments were performed with a latex suspension at different degrees of destabilization (obtained by the addition of salt to the suspension) and at different cross-flow velocities. The dependence of the critical flux on these conditions is discussed and analysed through the osmotic pressure of the colloidal dispersion.Comment: Journal of Colloid and Interface Science (2008) to be publishe

Numerical simulation of colloidal dispersion filtration: description of critical flux and comparison with experimental results

During filtration via membrane processes, colloids accumulate at the porous surface leading to fouling phenomena. In this study, a rigorous simulation of momentum and mass transfer using CFD modelling has been developed to describe such an accumulation during cross flow filtration. These simulations integrate detailed modeling of physicochemical properties specific to colloidal dispersions (because of the surface interactions (repulsive and attractive) occurring between the colloids particles). These interactions are accounted for via the experimental variation of the colloidal osmotic pressure with volume fraction (associated with a variation in the diffusion coefficient) which are fitted by a relationship integrated into the CFD code. It contains a description of the colloidal phase transition leading to the formation of a condensed phase (deposit or gel layer) from the accumulated dispersed phase (concentration polarization). It is then possible to determine the critical flux which separates filtration conditions below which mass accumulation is reversible (in the dispersed phase) and above which it is irreversible (in the condensed phase). The computed value of critical flux is compared with that determined experimentally for a dispersion of latex particles

Disruption of PF4/H multimolecular complex formation with a minimally anticoagulant heparin (ODSH)

Recent studies have shown that ultra-large complexes (ULCs) of platelet factor 4 (PF4) and heparin (H) play an essential role in the pathogenesis of heparin-induced thrombocytopenia (HIT), an immune-mediated disorder caused by PF4/H antibodies. Because antigenic PF4/H ULCs assemble through non-specific electrostatic interactions, we reasoned that disruption of charge-based interactions can modulate the immune response to antigen. We tested a minimally anticoagulant compound (2-O, 3-O desulfated heparin, ODSH) with preserved charge to disrupt PF4/H complex formation and immunogenicity. We show that ODSH disrupts complexes when added to pre-formed PF4/H ULCs and prevents ULC formation when incubated simultaneously with PF4 and UFH. In other studies, we show that excess ODSH reduces HIT antibody (Ab) binding in immunoassays and that PF4/ODSH complexes do not cross-react with HIT Abs. When ODSH and unfractionated heparin (UFH) are mixed at equimolar concentrations, we show that there is a negligible effect on amount of protamine required for heparin neutralisation and reduced immunogenicity of PF4/UFH in the presence of ODSH. Taken together, these studies suggest that ODSH can be used concurrently with UFH to disrupt PF4/H charge interactions and provides a novel strategy to reduce antibody mediated complications in HIT

APPROCHE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DE LA FILTRATION TANGENTIELLE DE COLLOÏDES : FLUX CRITIQUE ET COLMATAGE

Though the problems raised by membrane fouling are old, prediction of fouling and the adaptation of filtration conditions to reduce fouling remain essential for a better control of the process. Because it represents the flux beyond which irreversible fouling appears on the membrane surface, the critical flux can be a key parameter in this control. In this study, we try to relate the osmotic pressure of a colloidal suspension to the experimental values of critical flux by modelling the process of tangential filtration. A filtration procedure was developed to determine critical flux in a precise and rigorous way. This method allows the reversibility of particle accumulation to be determined continuously by observing flux behaviour when pressure is suddenly reduced. This makes it possible in experiments to discriminate between the part of the flux reduction due to the osmotic pressure and that due to irreversible resistance. Characterization of the suspension at the microscopic level (zeta potential, size, ...) was supplemented by a more original, macroscopic measurement of particulate osmotic pressure by chemical compression. The osmotic pressure of the colloidal dispersion proves to be a parameter relevant to filtration because it is related to the way the particles resist being concentrated. A suitable two-dimensional model that calculates particle concentration profiles in a membrane separation process is used for theoretical confrontation of the experimental measurements of the osmotic pressure with the experimental values of the critical flux. Comparison of the experimental and calculated values of critical flux suggests that heterogeneities in the physical properties of both the membrane and the particles must be taken into account. Integration of the flow pattern into a descriptive model could make it possible to explain the differences between experiment and simulation of the filtration of colloidal suspensions.Si la problématique posée par le colmatage des membranes est ancienne, prévoir et adapter les conditions de filtration pour réduire le colmatage reste essentiel pour un meilleur contrôle du procédé. Parce qu'il représente le flux au-delà duquel un colmatage irréversible apparaît à la surface de la membrane, le flux critique peut être un paramètre clef pour ce contrôle. Dans le cadre de cette étude,nous avons cherché à relier la pression osmotique d'une suspension colloïdale aux valeurs expérimentales du flux critique par le biais de la modélisation du procédé de filtration tangentielle. Une procédure de filtration a été développée pour déterminer de façon précise et rigoureuse le flux critique. Cette méthode permet une détermination continue de la réversibilité de l'accumulation de matière lors d'une diminution de flux permettant ainsi de dissocier expérimentalement la part de diminution de flux due à la pression osmotique et celle due à la résistance irréversible. La caractérisation de la suspension au niveau microscopique (potentiel zêta, taille, etc.) a été complétée par une mesure macroscopique, plus originale, de la pression osmotique particulaire par compression chimique. La pression osmotique de la dispersion colloïdale se révèle être une caractérisation pertinente par rapport à la filtration car relative à la résistance des particules à la surconcentration. Un modèle bidimensionnel adapté calculant les profils de concentration en particules dans un procédé de séparation par membranes est utilisé pour confronter théoriquement les mesures expérimentales de pression osmotique aux valeurs de flux critique. La comparaison des valeurs expérimentales et modélisées de flux critique suggèrent que des hétérogénéités de propriétés physiques de la membrane et des particules doivent être prises en compte. Intégrées dans un modèle descriptif, les distributions de flux permettent d'expliquer les différences entre expérience et simulation de la filtration d'une suspension colloïdale

13. La pression osmotique

Les Égyptiens sont les premiers à avoir maîtrisé les phénomènes osmotiques pour la momification des corps, ainsi que pour la conservation des viandes par salaisons. Le principe de ces deux procédés est de déshydrater les cellules, par l’ajout de sel en surface, qui fait migrer l’eau vers l’extérieur des cellules. La pression osmotique, qui signifie « poussée » en grec (osmos), fut décrite pour la première fois au milieu du XVIIIe siècle par un physicien français, l’abbé Nollé et mesurée en 18..

Approche théorique et expérimentale de la filtration tangentielle de colloïdes (flux critique et colmatage)

TOULOUSE3-BU Sciences (315552104) / SudocSudocFranceF

Détermination du flux critique : un outil pour la maîtrise du colmatage ?

L'étude présentée ici repose sur la détermination expérimentale du flux critique en ultrafiltration de suspension colloïdales, la caractérisation macroscopique des suspensions colloïdales et l'utilisation d'un modèle alimenté par ces caractéristiques. Une méthode précise de mesure de flux critique est présentée permettant de savoir si une diminution de flux est due à une accumulation de matière réversible ou irréversible. La pression osmotique est la mesure qui a été privilégiée pour caractériser une suspension de latex PVC qui a servi de base à cette étude. En effet, la variation de pression osmotique avec la fraction volumique reflète bien la résistance d'une suspension de particules à la compression ; les mesures expérimentales mettent en évidence une pression osmotique critique autour de 60% volumique en particules traduisant l'agrégation des particules qui sera responsable de la formation d'un dépôt irréversible lors de la filtration. Le modèle de calcul de flux utilisé est basé sur un bilan de matière et est alimenté avec des mesures expérimentales de pression osmotique et de viscosité. L'hydrodynamique du système est intégrée par le biais du facteur de friction. De cette façon, le modèle est entièrement basé sur des données acquises par des méthodes indépendantes. Les calculs de flux critiques sont comparés avec les résultats du banc de détection de flux critique. Le modèle donne des profils de concentrations à la surface de la membrane ce qui permet de déterminer le flux critique. Il apparaît que la simulation donne des résultats du même ordre de grandeur que l'expérience. La surestimation par le modèle est discutée

Fouling effects and critical flux in relation with module design and aeration conditions for a side stream outside/in filtration system

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Une nouvelle maquette informatique du champ de Mars

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