Optimization of Operation Parameters in Ultrafiltration by Experiment Design, Mathematical Modelling and Fouling Characterization of the Membranes Used to Remove Dissolved and Colloidal Substances from a Treated Paper Mill Effluent

[ES] En la presente Tesis Doctoral se investigó la aplicación del proceso de ultrafiltración (UF) y el fenómeno de ensuciamiento de las membranas en la eliminación de sustancias disueltas y coloidales (DCS) de efluentes tratados de la industria papelera (PMTE) para su reutilización en los diferentes procesos de fabricación de papel y cartón reciclado. El objetivo general de esta investigación se dividió en tres partes principales: i) describe cómo encontrar las condiciones óptimas de operación de cuatro parámetros de proceso: presión transmembrana (TMP), velocidad de flujo cruzado (CFV), temperatura y corte de peso molecular (MWCO) para maximizar el flujo promedio de permeado (Jp) y rechazo de la demanda química de oxígeno (COD) y minimizar el descenso del flujo de permeado acumulado (SFD) utilizando el método de Taguchi (Design Robusto) y utility concept aplicado a un proceso de UF a flujo cruzado, para remover DCS de efluentes tratados de la industria papelera, ii) el descenso del flujo de permeado y los mecanismos de ensuciamiento de las membranas de UF ensuciadas con PMTE se examinaron mediante modelos matemáticos semi-empíricos. Los resultados para los diferentes ensayos de UF se expresaron en términos de variación del Jp en función del tiempo para verificar la precisión del ajuste (mayor valor de R2 y menor valor de desviación estándar) de los distintos modelos de Hermia adaptados a flujo tangencial y del modelo de formación de torta en filtración a presión constante ajustados a los datos experimentales, y iii) describe métodos de identificación, caracterización y posibles orígenes de las sustancias contaminantes (foulants) en las membranas de UF. Técnicas como el análisis físico-química, FESEM, SEM-EDS, ATR-FTIR y 3DEEM se llevaron a cabo para comprender qué fracción de los contaminantes son responsables por la formación de incrustaciones en las membranas. Los resultados obtenidos durante la etapa de optimización de parámetros del procesos demostraron que TMP
[CA] En la present Tesi Doctoral es va investigar l'aplicació del procés d'ultrafiltració (UF) i el fenomen d'embrutiment de les membranes en l'eliminació de substàncies dissoltes i col·loïdals (DCS) d'efluents tractats de la indústria paperera (PMTE) per al seu reutilització en els diferents processos de fabricació de paper i cartó reciclatge. L'objectiu general d'aquesta investigació es va dividir en tres parts principals: i) descriu com trobar les condicions òptimes d'operació de quatre paràmetres de procés: pressió transmembrana (TMP), velocitat de flux creuat (CFV), temperatura i tall de pes molecular (MWCO) per a maximitzar el flux mitjà de permeat (Jp) i rebuig de la demanda química d'oxigen (COD) i minimitzar el descens del flux de permeado acumulat (SFD) utilitzant el mètode de Taguchi (Design Robust) i utility concept aplicat a un procés de UF a flux creuat en escala pilot, per a remoure DCS d'efluents tractats de la indústria paperera (PMTE), ii) el descens del flux de permeat i els mecanismes de embrutiment (fouling) de les membranes de UF embrutades amb PMTE es van examinar mitjançant models matemàtics semi-empírics. Els resultats per als diferents assajos de UF es van expressar en termes de variació del flux de permeat (Jp) en funció del temps per a verificar la precisió de l'ajust (major valor de R2 i menor valor de desviació estàndard) dels diferents models de Hermia adaptats a flux tangencial i del model de formació de coca en filtració a pressió constant ajustats a les dades experimentals, i iii) descriu mètodes d'identificació, caracterització i possibles orígens de les substàncies contaminants (foulants) en les membranes de UF. Tècniques com l'anàlisi física-química, FESEM, SEM-EDS, ATR-FTIR i 3DEEM es van dur a terme per a comprendre quina fracció dels contaminants són responsables per la formació d'incrustacions sobre la superfície i adsorció dins dels porus de les membranes. Els resultats obtinguts durant l'etapa d'optimització de paràmetres d
[EN] In this PhD Thesis, the application of ultrafiltration process (UF) and membrane fouling phenomenon used to remove dissolved and colloidal substances (DCS) from paper mill treated effluent (PMTE) for reuse in different recycled paper and cardboard manufacturing processes was investigated. The overall goal of this research has been divided into three main parts: i) describes how to find optimal operating conditions of four controlling parameters, such as transmembrane pressure (TMP), cross-flow velocity (CFV), temperature and molecular weight cut-off (MWCO) for maximizing the average permeate flux (Jp) and chemical oxygen demand (COD) rejection, and minimizing the cumulative flux decline (SFD) using Taguchi method and utility concept for a cross-flow UF in pilot scale, used to remove DCS from a paper mill treated effluent (PMTE), ii) flux decline and fouling mechanisms of UF membranes fouled with PMTE were examined by theoretical modelling. The results from UF tests were expressed in terms of permeate flux (Jp) as a function of time to check modified Hermia's models adapted to crossflow filtration and cake formation in constant-pressure filtration, and iii) describes the Identification, characterization and possible origins of UF membrane foulants. Techniques such as chemical analysis, FESEM, SEM-EDS, ATR-FTIR and 3DEEM analysis were applied to understand which fraction of the foulants caused the fouling. This research found that the TMP and MWCO have the greatest contribution to the average permeate flux and SFD. In the case of the COD rejection rate, the results showed that MWCO has the highest contribution followed by CFV. The optimum conditions were found to be the second level of TMP (2.0 bar), the third level of the CFV (1.041 m/s), the second level of the temperature (15°C), and the third level of MWCO (100 kDa). Under these optimum conditions Jp, COD rejection and SFD resistance of 81.15 L/m2/h, 43.90% and 6.01 (around 28.96 % of (FD), respectively, were