Ontwikkeling en karakterisering van goedkope keramische vlakke plaatmembranen voor waterontzilting door membraandestillatie

Dit proefschrift richt zich op de ontwikkeling en karakterisering van goedkope keramische vlakke plaatmembranen voor waterontzilting door membraandestillatie. Het onderzoek omvat de modificatie en karakterisering van kaolienklei en metakaolien geënte membranen met 1H,1H,2H,2H-perfluoroctyltriethoxysilaan (PFAS). Daarnaast worden de state-of-the-art onderzoeksresultaten over membraantechnologieën op zonne-energie voor waterzuivering gepresenteerd en besproken. De resultaten worden gepresenteerd in drie delen.

In het eerste deel wordt een gedetailleerd literatuuronderzoek over membraantechnologie op zonne-energie gepresenteerd in een publicatie met de titel: ‘Zonne-ondersteunde membraantechnologie voor waterzuivering: een overzicht’ Een tekort aan veilig drinkwater is een van de grootste problemen in de wereld. Zelfs in westerse landen waar huishoudelijke waterbehandelingssystemen aanwezig zijn, is veilig drinkwater mogelijk niet altijd beschikbaar vanwege de beperkingen van geavanceerde scheidingstechnologieën en hoge energiekosten. Aan de andere kant hebben veel stedelijke en landelijke gemeenschappen in Afrika bezuiden de Sahara en Centraal-Azië, gelegen in semi-aride tot droge gebieden, geen betrouwbare toegang tot veilig drinkwater. Het is daarom belangrijk om te onderzoeken hoe zonne-energie kan worden gekoppeld/geïntegreerd met waterbehandelingssystemen voor de productie van schoon water. Membraan gebaseerde geavanceerde scheidingstechnologieën spelen een belangrijke rol bij waterzuivering door gebruik te maken van goedkope warmtebronnen zoals laagwaardige afvalwarmte, geothermische energie en zonne-energie om het proces technisch haalbaar en economisch aantrekkelijk te maken voor kleine/middelgrote/grote -schaal waterbehandeling toepassingen. Zonne-energie kan de komende jaren een levensvatbare energiebron zijn voor waterzuiveringsinstallaties. Fotovoltaïsche panelen en thermische zonnecollectoren zijn geschikte zonne-energiecollectoren voor het maken van een waterbehandelingssysteem op zonne-energie. Door zonne-energie ondersteunde waterzuiveringstechnieken op basis van membranen zouden een haalbare oplossing kunnen zijn voor de bestaande problemen in semi-aride en droge gebieden. Vanwege de hoge kwaliteit van de vraag naar drinkwater zijn studies uitgevoerd naar op zonne-energie ondersteunde membraantechnologieën voor waterzuivering. Deze studie beschouwt basisconcepten, specifiek energieverbruik, waterproductiekosten en toepassingen van door zonne-energie aangedreven membraangebaseerde waterzuiveringstechnologieën zoals omgekeerde osmose (RO), voorwaartse osmose (FO), elektrodialyse (ED), membraandestillatie (MD) en hybride membraansystemen (HMS). De voorgestelde analyse zal de onderzoekers toestaan om een breder overzicht te krijgen van de inspanningen van verschillende onderzoekers op het gebied van op zonne-energie gebaseerde membraangebaseerde waterzuiveringstechnologie.

Het tweede deel behandelt de karakterisering en modificatie van Ethiopische kaolien en wordt gepresenteerd in een publicatie met de titel: 'Karakterisering en modificatie van Ethiopische kaolien voor gebruik bij de fabricage van keramisch membraan' Het gebruik van goedkope keramische membranen en eenvoud van constructie op kleine schaal, maken membraangebaseerde scheidingstechnologie aantrekkelijk voor netonafhankelijke ontzilting waar goedkope warmtebronnen zoals laagwaardige afvalwarmte, geothermische energie en zonne-energie direct beschikbaar zijn  Belangrijk onderzoek in membraantechnologie wordt verricht naar de ontwikkeling van hoogwaardige keramische membranen van lokale goedkope grondstoffen zoals kaolien, ball clay, bentonietklei, kwarts, bauxiet en andere. Keramische materialen zijn de meest gebruikte materialen voor de synthese van goedkope keramische membranen/anorganische membranen voor membraangebaseerde waterzuiveringstechnologie. Meer dan 20 miljoen ton kaolienafzettingen zijn verspreid over vele staten in Ethiopië. De kaolienafzettingen die in het huidige onderzoek zijn gebruikt, zijn verzameld in de omgeving van Debre Tabor, gelegen in de staat Amhara, maar het hoge niveau van minerale onzuiverheden maakt commerciële toepassingen niet levensvatbaar. Om de kwaliteit van kaolienafzettingen te verbeteren om mogelijk aan de eisen van keramische materialen te voldoen, moeten de kleuronzuiverheden worden verwijderd door middel van efficiënte, economische en milieuvriendelijke methoden voor het verbeteren van de werking. Een kaolienerts uit Debre Tabor, Ethiopië, werd fysiek, chemisch en thermisch behandeld voor mogelijk industrieel gebruik, vooral voor de fabricage van keramische membranen. De uitloogexperimenten werden uitgevoerd met oxaalzuuroplossingen als uitloogreagentia voor het ijzerextractieproces. Het effect van zuurconcentratie, reactietemperatuur en contacttijd op ijzeruitloging werd onderzocht. Er werd vastgesteld dat de snelheid van ijzerextractie toenam met de oxaalzuurconcentratie, uitloogtemperatuur en contacttijd. De behandelde kaoliengrondstof werd gebruikt om een goedkoop keramisch membraan te vervaardigen. Ten slotte werd aangetoond dat de eigenschappen van de gesinterde keramische membranen zoals massaverlies, waterabsorptie, krimp en chemische stabiliteit vergelijkbaar zijn met commerciële keramische membranen. Daarom zal deze studie dienen als een opstap voor andere onderzoekers die geïnteresseerd zijn in de fabricage en karakterisering van keramische membranen en in geavanceerde scheidingstechnologie. Bovendien kan dit onderzoek basisgegevens genereren die mogelijk inzicht kunnen geven voor verder onderzoek op andere gebieden.

Het derde deel behandelt de fabricage van een op metakaolien gebaseerd keramisch membraan op vlakke plaat en wordt gepresenteerd in een publicatie met de titel: 'Vlakke plaat metakaolien keramisch membraan voor waterontzilting via direct contact membraandestillatie' In deze studie werd lokaal verkrijgbare en goedkope Ethiopische kaolien gebruikt als de primaire grondstof voor de bereiding van op metakaolien gebaseerde vlakke plaatmembranen. Op hydrofobe metakaolien gebaseerde vlakke plaatmembranen werden ontwikkeld via fase-inversie en sinteren en gemodificeerd door middel van 1H,1H,2H,2H-perfluoroctyltriethoxysilaan-entmiddelen. Deze studie onderzoekt ook het gebruik van een keramisch membraan met vlakke plaat voor toepassing van membraandestillatie en de mogelijkheden om de parameters voor de membraanbereiding te optimaliseren, zoals metakaolienlading, sintertemperatuur, de concentratie van de additieven en mengpraktijken voor het verbeteren van de mechanische sterkte om het concurrerend te maken met bestaande keramische membraanmodules zoals holle vezel en buisvormig. De bereide membranen werden gekarakteriseerd met behulp van Scanning Electron Microscopie (SEM), Dynamic Mechanical Analysis (DMA), Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopie en contacthoek- en open porositeitsmeting. De resultaten gaven aan dat de bevochtigbaarheid, structurele en mechanische eigenschappen van het voorbereide membraan de geschiktheid van het materiaal voor membraandestillatie (MD) bevestigen. Het geprepareerde vlakke plaatmembraan kreeg hydrofobe eigenschappen na oppervlaktemodificatie. Daarna werden de membraanprestaties getest voor verschillende waterige natriumchlorideoplossingen (synthetisch zeewater) en verschillende bedrijfsparameters zoals voedingstemperatuur en voedingsstroomsnelheid met behulp van direct contact membraandestillatie (DCMD). Op basis van de bevindingen behaalden de nieuw ontwikkelde membranen goede prestaties op het gebied van zoutafstoting en permeaatflux. Er kan worden geconcludeerd dat verdere optimalisatie van het membraanfabricageproces nodig is om de permeaatflux en zoutafstoting te maximaliseren.