Recovery of chemical energy from retentates from cascade membrane filtration of hydrothermal carbonisation effluent

Organic fraction of municipal solid waste is a type of biomass that is attractive due to its marginal cost and suitability for biogas production. The residual product of organic waste digestion is digestate, the high moisture content of which is a problem, even after mechanical dewatering, due to the significant heat requirement for drying. Hydrothermal carbonisation is a process that can potentially offer great benefits by improved mechanical dewatering and valorisation of the digestate into a better-quality solid fuel. However, such valorisation produces liquid by-product effluent rich in organic compounds. Membrane separation could be used to treat such effluent and increase the concentration of the organic compounds while at the same time facilitating the recovery of clean water in the permeate. This work presents the results of the investigation performed using polymeric membranes. The study showed that membrane separation keeps a significant fraction of organics in the retentate. Such concentration significantly increases the biomethane potential of such effluent as well as the energy that could be theoretically used for the generation of process heat using the concentrated retentate in the wet oxidation process.Web of Science284art. no. 12852

Hydrothermal Carbonisation as Treatment for Effective Moisture Removal from Digestate—Mechanical Dewatering, Flashing-Off, and Condensates’ Processing

One of the processes that can serve to valorise low-quality biomass and organic waste is hydrothermal carbonization (HTC). It is a thermochemical process that transpires in the presence of water and uses heat to convert wet feedstocks into hydrochar (the solid product of hydrothermal carbonization). In the present experimental study, an improvement consisting of an increased hydrophobic character of HTC-treated biomass is demonstrated through the presentation of enhanced mechanical dewatering at different pressures due to HTC valorisation. As part of this work’s scope, flashing-off of low-quality steam is additionally explored, allowing for the recovery of the physical enthalpy of hot hydrochar slurry. The flashing-off vapours, apart from steam, contain condensable hydrocarbons. Accordingly, a membrane system that purifies such effluent and the subsequent recovery of chemical energy from the retentate are taken into account. Moreover, the biomethane potential is calculated for the condensates, presenting the possibility for the chemical energy recovery of the condensates.Web of Science1613art. no. 510

Concentration of Rutin Model Solutions from Their Mixtures with Glucose Using Ultrafiltration

Separation of polyphenolic phytochemical compounds from their mixtures with sugars is necessary to produce an added-value sugar-reduced extract with high biological activity from fruit juice processing industry waste streams. The separation characteristics of a binary mixture of rutin and glucose using a Pellicon-2 regenerated cellulose ultrafiltration membrane with an area of 0.1 m2 having nominal MWCO of 1,000 Da were investigated, to demonstrate the separation of phenolic compounds from sugars. The effects of the operating variables–transmembrane pressure, feed solution temperature and pH, initial feed concentration and feed flow rate–on the permeate flux and enrichment of rutin, were determined. The permeate flux increased with the increase in transmembrane pressure up to a certain limit and after that the flux remained more or less constant. The optimum transmembrane pressure was within 4–5 bar. The flux increased with the increase in feed solution temperature because of reduced feed viscosity, and better solubility. The concentration of rutin was optimum at lower temperature (30°C), with an enrichment factor of 1.3. The effect of pH on permeate flux was less obvious. Lowering the feed solution pH increased the retention of rutin and the optimum separation was obtained within pH 3–4. The permeate flux decreased with the increase in feed concentration of rutin (concentration range 0.1–0.5 g/L). The enrichment of rutin was significant in the glucose concentration range 0.35–0.5 g/L. The feed flow rate had a significant effect on the flux and separation characteristics. Higher cross-flow through the membrane reduced the fouling by providing a shear force to sweep away deposited materials from the membrane surface. At high feed flow rate, more rutin was retained by the membrane with less sugar permeating through. The optimum feed flow rate was 1.5 L/min. For the separation of rutin (in the retentate) and glucose (in the permeate), the best results were obtained at rutin enrichment of 2.9 and recovery 72.5%, respectively. The performance of this system was further improved by operating it in a diafiltration mode, in which only approx. 11% of glucose remained in the retentate

Fouling mechanisms of ultrafiltration membranes fouled with whey model solutions

In this work, three ultrafiltration (UF) membranes with different molecular weight cut-offs (MWCOs) and made of different materials were fouled with several whey model solutions that consisted of bovine serum albumin (BSA) (1% w/w), BSA (1% w/w) and CaCl2 (0.06% w/w in calcium) and whey protein concentrate (WPC) with a total protein content of 45% w/w at three different concentrations (22.2, 33.3 and 44.4 g·L− 1). The influence of MWCO and membrane material on the fouling mechanism dominating the UF process was investigated. Experiments were performed using two flat-sheet organic membranes and a ceramic monotubular membrane whose MWCOs were 5, 30 and 15 kDa, respectively. Hermia's models adapted to crossflow UF, a combined model based on complete blocking and cake formation equations and a resistance-in-series model were fitted to permeate flux decline curves. The results demonstrated that permeate flux decline was accurately predicted by all the models studied. However, the models that fitted the best to permeate flux decline experimental data were the combined model and the resistance-in-series model. Therefore, complete blocking and cake formation were the predominant mechanisms for all the membranes and feed solutions tested.The authors of this work wish to gratefully acknowledge the financial support of the Spanish Ministry of Science and Innovation through the project CTM2010-20186.Corbatón Báguena, MJ.; Alvarez Blanco, S.; Vincent Vela, MC. (2015). Fouling mechanisms of ultrafiltration membranes fouled with whey model solutions. Desalination. 360:87-96. https://doi.org/10.1016/j.desal.2015.01.019S879636

Ultrafiltracja jako metoda usuwania naturalnych substancji organicznych z wody

Pogarszająca się jakość wód oraz rosnące wymagania stawiane wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi powodują konieczność stosowania nowoczesnych procesów technologicznych ich uzdatniania. Taką techniką jest ultrafiltracja, proces membranowy pozwalający na usunięcie bardzo szerokiego spektrum zanieczyszczeń: zarówno mikroorganizmów jak i makrocząsteczek o wielkości 1 -100 nm. Do tej grupy zanieczyszczeń należą naturalne substancje organiczne, które zarówno niekorzystnie wpływają na jakość wody jak i na wydajność hydrauliczną membran poprzez ich blokowanie (fouling). O skuteczności usuwania naturalnych substancji organicznych z wody w procesie ultrafiltracji oraz podatności membran na blokowanie decyduje bardzo wiele czynników związanych zarówno z właściwościami membran jak i składem oczyszczanej wody. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu właściwości membran ultrafiltracyjnych; tj. ich granicznej masy molowej (cut-off) oraz polimeru z którego wykonane zostały membrany, jak również właściwości roztworu poddawanego oczyszczeniu na zmianę skuteczności oczyszczania wody, wydajność hydrauliczną membran oraz ich podatność na blokowanie. W badaniach zastosowano membrany ultrafiltracyjne firmy Nadir wykonane z regenerowanej celulozy oraz polieterosulfonu o cut-off 5 - 100 kDa. Testy przeprowadzone zostały dla roztworów modelowych oraz dla wody z rzeki Odry. Przeprowadzone badania wykazały, iż dla wszystkich testowanych membran wzrost wartości ich granicznej masy molowej skutkował wzrostem wydajności hydraulicznej membran. Wykazano też, że zastosowanie membran o większych wymiarach porów skutkuje spadkiem skuteczności usuwania makrocząsteczek organicznych. Zaobserwowano, że charakter hydrofilowo/hydrofobowy polimeru membranotwórczego istotnie wpływał na intensywność blokowania membran. Większy spadek przepuszczalności hydraulicznej membran stwierdzono w przypadku użycia silniej hydrofobowych membran z polieterosulfonu. Analiza uzyskanych wyników badań pozwoliła także wykazać, że wzrost wartości cut-off membran skutkował silniejszym ich blokowaniem, będącym rezultatem zatykania porów membrany

Application of ion exchange to natural organic matter removal from water

Omówiono zastosowanie procesu wymiany jonowej do usuwania z wody naturalnych makrocząsteczek organicznych. Możliwość ta wynika z faktu, iż znaczna część naturalnych substancji organicznych ma charakter makroanionów i stąd mogą być one usuwane na żywicach anionowymiennych. Także frakcja związków organicznych pozbawiona ładunku elektrycznego może zostać usunięta z wody wyniku adsorpcji na jonitach. Wykazano, że o skuteczności usuwania naturalnych substancji organicznych decydują m.in. właściwości fizyczno-chemiczne oczyszczanej wody, właściwości stosowanej żywicy oraz sposób realizacji procesu wymiany jonowej. Korzyści wynikające z wykorzystania wymiany jonowej do usuwania makrocząsteczek organicznych z wody to – oprócz bardzo wysokiej skuteczności – także minimalne wtórne zanieczyszczenie wody oraz bardzo niewielkie ilości odpadów wymagających zagospodarowania. Dodatkowo, coraz częstsze stosowanie tej techniki w układach oczyszczania wody wynika z faktu, iż koszty inwestycyjne i eksploatacyjne procesu wymiany jonowej są porównywalne do kosztów równie skutecznych metod oczyszczania wody ze związków organicznych, np. nanofiltracji lub adsorpcji na węglu aktywnym.Application of ion exchange process to removal of natural organic matter (NOM) from water was discussed. The majority of natural organic particles show properties of macroions and therefore they may be removed using anion exchange resins. Also, the fraction of organic compounds lacking electric charge may be removed from water using ion exchange adsorption. It was proved that efficiency of NOM removal depends, among others, on the physicochemical properties of water being purified, type and properties of the resin used as well as on the ion exchange method. The advantages of ion exchange process application to NOM separation from water include, apart from very high efficiency, minimum secondary water contamination and low amount of wastes to be disposed. Additionally, an increasing popularity of ion exchange in drinking water treatment results from investment and operating costs being comparable to costs of equally effective water treatment processes like nanofiltration or activated carbon adsorption

Separation of Natural Organic Matter from Water via the Integrated MIEXŽDOC-Ultrafiltration Process

Jednym z ograniczeń szerszego zastosowania procesów membranowych do oczyszczania wody jest spadek wydajności hydraulicznej membran, będący wynikiem ich blokowania przez osadzające się drobne cząstki oraz na skutek sorpcji naturalnych substancji organicznych. Obecnie najczęściej stosowaną metodą, pozwalającą na ograniczenie intensywności zjawiska blokowania membran (fouling), jest wstępne oczyszczanie wody przy użyciu konwencjonalnych procesów jednostkowych. Mając to na uwadze założono, że zintegrowanie procesu MIEXŽDOC z ultrafiltracją pozwoli na uzyskanie wysokiej jakości oczyszczonej wody i ograniczy intensywność blokowania membran. W przeprowadzonych badaniach określono wpływ dawki żywicy MIEXŽ, granicznej rozdzielczości membran (cut-off) oraz sposobu realizacji proponowanego procesu na skuteczność usuwania naturalnych substancji organicznych z wody i intensywność blokowania membran. Uzyskane wyniki badań pokazały, że wstępne oczyszczanie wody, nawet przy zastosowaniu małych dawek żywicy MIEXŽ, pozwoliły na znaczącą poprawę jakości wody i zmniejszyły intensywność blokowania membran. Zastosowanie membran o rozdzielczości w przedziale 5÷100 kDa i dawki żywicy 10 cm3/dm3, pozwoliło usunąć ok. 90% substancji organicznych z oczyszczanej wody. Z uwagi na fakt, iż w procesie MIEXŽDOC preferencyjnie usuwane są substancje o małym ciężarze cząsteczkowym, szczególną poprawę wydajności hydraulicznej procesu zaobserwowano dla membran o rozdzielczości 30 kDa i 100 kDa. Realizacja testowanego procesu w układzie zintegrowanym (woda wraz z żywicą MIEXŽ poddawana była ultrafiltracji) pozwoliła w nieznacznie większym stopniu ograniczyć spadek przepuszczalności membran, niż to stwierdzono w procesie zintegrowanym, w którym ultrafiltracja wody była poprzedzona procesem MIEXŽDOC i sedymentacją.Membrane ultrafiltration is well suited to the production of disinfected clear water for various applications. What imposes limitations on a more widespread use of membrane processes is the decrease in membrane performance that occurs during potable water treatment, as a result of fouling promoted by the accumulation of particles and adsorption of natural organic matter (NOM). Currently, the most common method to prevent fouling is by pretreating the influent to the membrane process via the conventional unit processes. According to literature data, the integration of the MIEXŽDOC process with ultrafiltration may upgrade the quality of the water produced and decrease membrane fouling. The aim of my study was to examine the effectiveness of the MIEXŽDOC process when applied to water pretreatment prior to membrane filtration. NOM removal and flux decline were related to resin dose, membrane cut-off, and the method of carrying out the integrated process. Analysis of the results obtained shows that water pretreatment, even with low MIEXŽ resin doses, significantly improved final water quality and reduced membrane fouling. For ultrafiltration membranes of cut-off 5-100 kDa, and MIEXŽ doses above 10 cm3/dm3, almost 90% of the NOM was removed from the water. As the MIEXŽDOC process yielded a removal of mainly small NOM particles, the highest enhancement of hydraulic efficiency of membranes was obtained with membranes of cut-off 30 and 100 kDa. Water treatment via the hybrid process MIEXŽDOC/ultrafiltration (i.e. water with ion-exchange resin was ultrafiltered) slightly raised membrane performance (lower fouling) as compared to the integrated process, where the water underwent ultrafiltration after the MIEXŽDOC process and sedimentation

Application of forward osmosis to water desalination and reuse

Proces wymuszonej osmozy (FO), nazywany też osmozą, inżynieryjną osmozą lub manipulowaną osmozą, jest membranowym procesem osmotycznym. Wykorzystuje on ciśnienie osmotyczne silnie stężonego roztworu odbierającego, jako siłę napędową, powodującą transport wody przez zwartą membranę polimerową ze strumienia zasilającego do odbierającego. W zależności od składu roztworu zasilającego i przeznaczenia uzyskanego produktu, etap ten może być jedynym wymaganym procesem. Jednakże w większości przypadków pełny układ, wykorzystujący proces wymuszonej osmozy, zawiera kolejny etap, polegający na regeneracji roztworu odbierającego i uzyskaniu czystej wody. Przewaga procesu wymuszonej osmozy nad klasycznymi technikami odsalania polega na mniejszej intensywności blokowania membran, mniejszym zużyciu energii, większej skuteczności retencji soli oraz większym strumieniu wody. Wymuszona osmoza jest coraz częściej stosowana jako proces separacyjny w oczyszczaniu ścieków, produkcji żywności i odsalaniu wód morskich lub słonawych.Forward osmosis (FO), also known as osmosis, engineered osmosis or manipulated osmosis, is an osmotically driven membrane process. FO utilizes osmotic pressure of a highly concentrated draw solution as a driving force to transfer water from a feed solution to the draw solution through a dense polymeric membrane. Depending on the concentration of solutes in the feed and the intended use of the product, this stage may be the only process required. In most cases however, a complete FO system utilizing the forward osmosis contains a subsequent step for the draw solute regeneration to finally produce a clean water. Potential advantages of FO over classical desalination processes include its low fouling intensity, low energy consumption, higher salt rejection and higher water flux. It attracts growing attention as separation process in wastewater treatment, food processing, and seawater/brackish water desalination

Proces nanofiltracji jako efektywna metoda odzysku NaOH z roztworów poregeneracyjnych

The objective of this study was to determine the suitability of the nanofiltration (NF) process to recover the regenerating agent (NaOH) from spent solutions contaminated with organic compounds. NaOH recovery from 2 spent regenerant solutions after cleaning ultrafiltration (UF) membranes (polymeric 30 kDa, ceramic 300 kDa) fouled with natural humic water was carried out using 2 types of NF membranes: NP010P (Na2SO4 rejection: 35–75%) and NP030P (Na2SO4 rejection: 80–95%). It has been shown that the use of the NP030P membrane allows for very high separation efficiency of organic compounds (up to 97% of color intensity reduction) from the tested solutions. It was also observed that the effectiveness of the process, in addition to the type of membrane used, also depends on the time of NF process – along with the elapsed time of the process, the hydraulic and separation properties of the tested membranes deteriorated. The obtained results showed that the use of both tested NF membranes allows for the recovery of NaOH to a degree that allows its re-use.W przeprowadzonych badaniach określono przydatność procesu nanofiltracji (NF) do odzysku czynnika regenerującego (NaOH) z roztworów poregeneracyjnych zanieczyszczonych związkami organicznymi. Uzyskane wyniki pokazały, że użycie obu testowanych membran nanofiltracyjnych (NP010P oraz NP030P) pozwala na odzysk NaOH w stopniu pozwalającym na jego ponowne użycie. Wykazano, że zastosowanie membrany NP030P pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej skuteczności separacji związków organicznych (do 97% usunięcia barwy) z testowanych roztworów. Zaobserwowano również, że skuteczność procesu, oprócz rodzaju użytej membrany, zależała także od czasu prowadzenia nanofiltracji – wraz z upływającym czasem procesu pogarszały się właściwości hydrauliczne i separacyjne testowanych membran