Micro / nano adsorbent assisted membrane filtration for the removal of organic matter

Abstract

Bu çalışmada, Ca(OH)2'nin karbonatlaştırma işlemi yoluyla CaCO3 partiküllerinin hazırlanması ve karakterizasyonu deneysel olarak araştırılmış ve organik maddelerin giderilmesinde kullanımları hem bağımsız adsorbanlar olarak hem de düşük basınçta çalışan membran filtrasyonu ile birlikte değerlendirilmiştir. Sade CaCO3 partiküllerine ek olarak, Mg-içeren CaCO3 partikülleri de hazırlanmış ve organik madde giderme performansları açısından değerlendirilmiştir. Hazırlanan partiküller taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleme, partikül boyutu ve boyut dağılımı belirleme, X-ışını kırınımı (XRD) analizi, Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve Brunauer-Emmett-Teller (BET) analizinin yanı sıra N2 adsorpsiyon-desorpsiyon izoterm analizi kullanılarak karakterize edilmiştir. Organik madde adsorpsiyonu için partiküllerin kullanımı ilk olarak partiküller ve organik madde içeren çözeltiler arasındaki temas süresine göre değerlendirilmiştir. Farklı özelliklere sahip sentetik çözeltiler ve doğal su örnekleri üzerinde yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Çalışmada ayrıca CaCO3 partiküllerinin hazırlanması sırasında Mg katılması sonucu ortaya çıkan farklı partiküllerin adsorpsiyon performansı açıklanmış ve CaCO3 partiküllerinin tekrarlı kullanımı değerlendirilmiştir. Adsorpsiyonu takiben, çözeltideki organik maddenin karakterindeki değişiklikler, adsorpsiyonun kalan organik maddeye yeniden uygulanması ve bu amaçla toz aktif karbon kullanımı tartışılmaktadır. Membran filtrasyonunun yanı sıra adsorban partiküllerinin kullanımını değerlendiren deneylerde, membran kirlenmesini ve adsorban performansını değerlendirmek için iki prosedür kullanılmıştır: (i) Tek Seferde Toplam Miktar Parçacık İlave Prosedürü: CaCO3 partikülleri her filtrasyon döngüsü için reaktöre eklenmiş, her döngüden sonra çözeltiden çıkarılmış ve sonraki filtrasyonlar için yeniden eklenmiştir. (ii) Her Seferde Yeni ve Parçalara Bölünmüş Parçacık Ekleme Prosedürü: CaCO3 partikülleri her filtrasyon döngüsü için eşit porsiyonlara bölünmüş ve önceki döngülerdekiler tekrar kullanılmadan her döngü için yeni partiküller eklenmiştir. Ayrıca deneyler, laboratuvarda hazırlanan CaCO3 partiküllerinin ilk uygulamalarından sonra etkili bir şekilde rejenere edilip yeniden kullanılıp kullanılamayacağını değerlendirmek üzere tasarlanmıştır. Membran temizleme çözeltisi olarak kullanılan asidik çözelti, membran filtrasyon reaktöründe kapasitelerine ulaştıktan sonra iyonik Ca ve ardından Ca(OH)2-CO2 sisteminde tekrar kullanılmak üzere CaCO3'e dönüştürülen partikülleri başarılı bir şekilde rejenere etmiştir. Böylece, mikrofiltrasyon membranının eşzamanlı kimyasal temizliği ve düşük basınçta çalışan bu entegre sistemde adsorban partiküllerinin rejenerasyonu mümkün olacaktır.

In this study, the preparation and characterization of CaCO3 particles through the carbonation process of Ca(OH)2 were experimentally investigated, and their use in the removal of organic matter was evaluated both as standalone adsorbents and in conjunction with membrane filtration operated at low pressure. In addition to plain CaCO3 particles, Mg-incorporated CaCO3 particles were also prepared and assessed for their organic matter removal performance. The prepared particles were characterized using scanning electron microscopy (SEM) imaging, particle size and size distribution determination, X-ray diffraction (XRD) analysis, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, as well as N2 adsorption-desorption isotherm analysis. The use of particles for organic matter adsorption was first evaluated based on the contact time between the particles and solutions containing organic matter. The results obtained from experimental studies on synthetic solutions and natural water samples with different characteristics are presented. The study also describes the adsorption performance of different particles resulting from Mg incorporation during the preparation of CaCO3 particles and evaluates the repeated use of CaCO3 particles. Following adsorption, changes in the character of the organic matter in the solution, the reapplication of adsorption to the remaining organic matter, and the use of powdered activated carbon for this purpose are discussed. In experiments assessing the use of adsorbent particles alongside membrane filtration, two procedures were employed to evaluate membrane fouling and adsorbent performance: (i) Single Batch Procedure: CaCO3 particles were added to the reactor for each filtration cycle, removed from the solution after each cycle, and then reintroduced for subsequent filtrations. (ii) Sequential Addition Procedure: CaCO3 particles were divided into equal portions for each filtration cycle, with fresh particles introduced for each cycle without reusing those from previous cycles. Furthermore, the experiments were designed to evaluate whether the CaCO3 particles prepared in the laboratory could be effectively regenerated and reused after their initial application. The acidic solution used as the membrane cleaning solution successfully regenerated the particles, which, upon reaching their capacity in the membrane filtration reactor, were converted back to CaCO3 in the ionic Ca followed by the Ca(OH)2-CO2 system for reuse. Thus, the simultaneous chemical cleaning of the microfiltration membrane and regeneration of the adsorbent particles in this integrated system operated at low pressure will be possible.