Samenvatting Het gebruik van ultrafiltratie (UF) membranen als oppervlakte water zuiveringstechnologie is in de laatste vijftien jaar enorm toe genomen. Ultrafiltratie membranen zijn gemakkelijk op te schalen en hebben een groot scheidend vermogen. Maar, gedurende het filtratie proces is het UF membraan onderhevig aan vervuiling. Vervuiling be¨ınvloedt de prestaties van het membraan drastisch. Daarom is regelmatige reiniging van de membranen noodzakelijk. Op de korte termijn worden membranen gereinigd doormiddel van terugspoeling, waarbij schoon water door het membraan terug gespoeld wordt. Op de lange termijn wordt het membraan normaal gesproken gereinigd met reinigingschemicali¨en. Vandaag de dag zijn de instellingen voor de membraan operatie gebaseerd op pilot-plant studies en vuistregels. Het mag verwacht worden dat proces optimalisatie zal leiden tot een efficientere operatie en dat er een significante besparing in de operationele kosten gerealiseerd kan worden. In dit proefschrift zal allereerst een kort historisch overzicht gepresenteerd worden over de ontwikkeling van de waterzuiveringtechnologie. We beginnen in het verre verleden, passeren de recente geschiedenis en eindigen met de huidige beschikbare technologie¨en. Hoewel de waterzuivering met behulp van membranen een volwassen scheidingstechnologie is, bestaat er nog steeds vraag naar verbetering. Meer specifiek: er zijn nog tal van verbeteringen mogelijk op het gebied van lange termijn proces modelering, optimalisatie en regeling. Met water zuivering en membraan technologie in perspectief, kan het framewerk waarin dit onderzoek is uitgevoerd als volgt omschreven worden: optimale operatie van een ultrafiltratie membraan dat gebruikt wordt om oppervlakte water te zuiveren. De hi¨erarchische aanpak van dit probleem zal kort ge¨ıntroduceerd worden, waar bij een onderscheid gemaakt wordt in drie elementaire beslislagen: vii
• Een proces regelingsniveau • Een productie regelingsniveau • Een strategisch regelingsniveau De drie niveaus optimaliseren het totale ultrafiltratie proces op verschillende tijdsschalen, respectievelijk de korte termijn, de middellange termijn en de lange termijn schaal. In figuur 2 zijn de hi¨erarchische lagen aangegeven in de zogenaamde integratie piramide.
Strategic Control
Production Control
Process Control
[Long-term time scale]
[Intermediate-term time scale]
[Short-term time scale]
Figure 2: De integratie piramide Met behulp van de wiskundige decompositie van een enkel regelprobleem in een set sub-regelproblemen op verschillende niveaus, valt een uiterst complex probleem in een aantal eenvoudiger problemen uit elkaar. Voor de korte termijn schaal worden een chemisch reinigingsmodel en optimalisatie afgeleid, voor de middellange termijn schaal worden een chemisch reinigingscyclus model en optimalisatie afgeleid en voor de lange termijn schaal wordt een membraan levensduur model en optimalisatie voorgesteld. In hoofdstuk 2 wordt een dynamisch model voor de chemische reiniging van ultrafiltratie membranen vervuild door oppervlakte water voorgesteld. Een model dat de dynamica van een proces goed kan beschrijven is waardevol
voor de optimalisatie van het reinigingsproces. Het voorgestelde model is gebaseerd op componenten balansen en bevat drie model parameters die via een simpel experimenteel protocol bepaald kunnen worden. De modelparameters kunnen zodoende regelmatig aangepast worden, mochten de procescondities veranderen of mocht de waterkwaliteit vari¨eren. In een eerste experimentele sessie worden er experimenten uitgevoerd om het model te valideren. In een tweede serie wordt de gevoeligheid van het model onder de loep genomen en in een derde serie wordt het model ge¨evalueerd voor tien verschillende reinigingsmiddelen. Vervolgens wordt in hoofdstuk 3 een regelstrategie ontwikkeld waarbij de kosten voor een enkele chemische reinigingsfase geminimaliseerd worden voor een ultrafiltratie membraan. Gebruik makende van het proces model, een kostenfunctie en een set randvoorwaarden kan afgeleid worden dat dynamische optimalisatie leidt tot een zogenaamd ”maximum effort control” probleem, waarbij het debiet en de concentratie van het reinigingsmiddel nul of maximaal zijn. Het punt waarop geschakeld moet worden van maximaal naar nul wordt het schakelpunt genoemd. De locatie van het schakelpunt hangt af van de totale reinigingstijd en de vereiste reinigingseffectiviteit. De berekende optimale regelstrategie laat zien dat de reinigingstijd significant gereduceerd kan worden, in vergelijking tot een conventioneel uitgevoerde reiniging. Om enig inzicht te geven in de karakteristieken van membraan vervuiling worden in hoofdstuk 4 de resultaten van een membraan autopsie gepresenteerd. Het membraan is een PES ultrafiltratie membraan dat een half jaar lang kanaalwater heeft gefiltreerd De uitkomst van de membraan autopsie laat zien dat vervuiling aangetroffen op het membraan een complex mengsel is van polysacchariden, silica, organisch industrieel of civiel afval zoals alkylbenzenen, ftalaten en plantaardige materialen. Door het voedingswater, het permeaat, het terugspoel concentraat en het reinigingsconcentraat te bestuderen gedurende de test periode waarin het membraan draaide, kan afgeleid worden dat meer specifiek, silicium, ijzer en organica (getest als DOC en TOC) op het membraan achterbleven. Dit gegeven is in goede overeenstemming met de autopsie data. Na formulering en verificatie van het reinigingsmodel en de bijbehorende optimalisatie wordt in hoofdstuk 5 een chemisch reinigingscyclus model gepresenteerd. Het model kan gebruikt worden om de vervuilingstatus van het membraan over meerdere reinigingscycli te voorspellen. Het model wordt vervolgens gebruikt om de totale operationele kosten te minimaliseren,
gebaseerd op chemicali¨en verbruik, energie verbruik en investeringskosten. Optima-lisatie vindt plaats voor een vaste tijdshorizon, waarbij de productie van een vastgesteld volume gehaald moet worden. Het aantal cycli, het netto productie debiet en de duur van een chemische reinigingsperiode worden vervolgens berekend. De vervuilingstatus van het membraan mag bepaalde grenzen niet overschrijven. Er is gevonden dat op het cyclus niveau van de chemische reiniging de reinigingsvariabelen de operationele kosten niet sterk be¨ınvloeden. De optimalisatie van de chemische reinigingscyclus kan echter wel gebruikt worden als manier voor effectieve vervuilingpreventie. Voor de lange termijn schaal, is in hoofdstuk 6 de membraan levensduur onderzocht met behulp van versnelde verouderingsexperimenten. Een drukpuls apparaat is gebruikt om de tests versneld uit te voeren. Een experimenteel ontwerp is opgezet waarbij vier verouderingsfactoren gevarieerd zijn op twee niveaus. De vier verouderingsfactoren die bestudeerd worden zijn: de vervuilingstatus van het membraan, de concentratie reinigingsmiddel, de grootte van de drukpuls en het aantal drukpulsen. De integriteit van het membraan is vervolgens getest met behulp van permeabiliteitmetingen, drukval proeven en bubbel punt metingen. Ook zijn er rek proeven uitgevoerd om de mechanische eigenschappen van de vezels te onderzoeken. De verzamelde data is vervolgens gebruikt bij een variantie analyse om zo te bepalen welke verouderingsfactoren de membraanlevensduur significant be¨ınvloeden. De uitkomsten van deze analyse laten zien dat de vervuilingstatus, het aantal uitgevoerde drukpulsen en de combinatie van deze twee factoren significante verouderingsfactoren zijn. De additionele rek proeven ondersteunen deze conclusies. Op basis van deze uitkomsten, wordt in hoofdstuk 7 een membraan levensduur model ontwikkeld en experimenteel geverifieerd. Het levensduur model is gebaseerd op de Weibull functie. Het levensduur model kan gebruikt worden om eenduidig de karakteristieke levensduur van een membraan te bepalen. Experimentele resultaten laten zien dat de levensduur korter wordt als de gemiddelde membraan vervuilingstatus groter wordt. De resultaten van de modellering worden vervolgens gebruikt om de economische levensduur van de membranen te bepalen. Vervolgens wordt de economische levensduur gebruikt om de membraan levensduur te optimaliseren, dat is, minimalisatie van de totale kosten. Gebaseerd op de experimentele resultaten kan geconcludeerd worden dat de totale kosten minimaal zijn, als de gemiddelde membraan vervuilingstatus ongeveer 1.7 keer de membraan weerstand is.
Nu bekend is dat irreversibele vervuiling op het membraan de levensduur be¨ınvloedt, wordt in hoofdstuk 8 een lange termijn regelsysteem ontwikkeld en experimenteel geverifieerd. De doelstelling van de regelstrategie is om de weerstand aan het begin van een chemische reinigingscyclus te regelen door aanpassing van de reinigingsvariabelen (tijd, concentratie, etc.). Inleidende experimenten laten echter zien dat de reinigingseffectiviteit zeer goed beheerst kan worden door de dosering van het vlokmiddel in de voorgaande filtratie cycli aan te passen. Daarom wordt er een feedbackregelaar gebruikt om de initi¨ele weerstand van een chemische reinigingscyclus te regelen met een minimale concentratie aan vlokmiddel. Er is gevonden dat het voorgestelde regelsysteem goed gebruikt kan worden om lange termijn vervuiling te regelen, maar dat de regelaar te langzaam is om temperatuurseffecten op het vlokmiddel te compenseren.
