Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5814
Main Title: Post-mining water treatment
Subtitle: nanofiltration of uranium-contaminated drainage; experiments and modeling
Translated Title: Wasserbehandlung zur Bergbaualtlastensanierung
Translated Subtitle: Nanofiltration uranbelasteten Sickerwassers; Experimente und Modellierung
Author(s): Hoyer, Michael
Advisor(s): Repke, Jens-Uwe
Referee(s): Repke, Jens-Uwe
Wessling, Matthias
Haseneder, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Nanofiltration of real uranium-contaminated mine drainage was successfully discussed in experiments and modeling. For the simulation a renowned model was adapted that is capable of describing multi-component solutions. Although the description of synthetic multi-component solutions with a limited number of components was performed before, the results of this work show that the adapted model is capable of describing the very complex solution. The developed modeling approach is capable of describing multi-component transport, and is based on the pore radius, membrane thickness, and volumetric membrane charge density as physically relevant membrane parameters instead of mere fitting parameters which allows conclusions concerning membrane modification or process design. The experiments involve typical commercially available membranes in combination with a water sample of industrial relevance in the mining sector. Furthermore, it has been shown experimentally that uranium speciation influences its retention. Hence, all experiments consider the speciation of uranium when assessing its charge and size. In the simulation 10 different ionic components have been taken into account. By freely fitting 4 parameters in parallel (pore radius, membrane thickness, membrane charge, relative permittivity of the oriented water layer at the pore wall) an excellent agreement between experiment and simulation was obtained. Moreover, the determined membrane thickness and pore radius is in close agreement with the values obtained by independent membrane characterization using pure water permeability and glucose retention. On the other hand, the fitted and the literature value of the relative permittivity differ by a factor of 2. This in turn has an influence on the membrane charge which is notably 60 times higher in order to compensate for the reduced contribution from the dielectric exclusion. These results suggest that the developed model is capable of describing nanofiltration of concentrated, complex, real water samples to a high degree of precision. The way is thus paved for modeling and experiment, e.g. for nanofiltration of other complex mine waters.
Nanofiltration realer uranbelasteter Bergbausickerwässer wurde anhand einer Modellierung zu den parallel erfolgten Experimenten diskutiert. Zur Simulation der experimentellen Rückhalte diente ein anerkanntes Nanofiltrationsmodell, mit welchem der Transport zahlreicher Komponenten numerisch beschreibbar wird. Obwohl in der Literatur eine numerische Beschreibung von Multi-Komponenten-Systemen bereits zuvor erfolgte, so konnte hier gezeigt werden, dass dieses Modell in der Lage ist die Vorgänge an komplexen realen Lösungen abzubilden. Das eingesetzte Modell ist basiert auf den Membranparametern Porenradius, Membrandicke und Volumenladungsdichte als physikalisch relevanten Parametern anstelle bloßer Anpassungsgrößen. Dadurch sind Schlussfolgerungen bezüglich Membranmodifizierung und Prozessentwicklung möglich. Eingesetzt wurden kommerziell erhältliche Membranen in Kombination mit einer Speiselösung mit industrieller im Bergbausektor. Des Weiteren konnte experimentell gezeigt werden, dass die Uranspeziation einen Einfluss auf die beobachteten Rückhalte hat, weshalb die Speziation auch in der Modellierung berücksichtigt wird. In den Simulationen wurden 10 unterschiedliche ionische Komponenten abgebildet. Durch freie parallele Anpassung von 4 Parametern (Porengröße, Membrandicke, Membranladung, relative Permittivität der ausgerichteten Wasserschicht an den Porenwänden) konnte eine hervorragende Übereinstimmung von Experiment und Simulation erreicht werden. Zudem sind die so bestimmte Membrandicke und Porengröße in guter Übereinstimmung mit den Werten, die durch unabhängige Bestimmungsverfahren erhalten wurden. Andererseits ist die relative Permittivität doppelt so groß wie in der Literatur vermutet und als Konsequenz ist die Membranladung 60-mal größer um die unterschätzten dielektrischen Effekte zu kompensieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Modell in der Lage ist Nanofiltration konzentrierter, komplexer, realer Speiselösungen mit hoher Präzision zu beschreiben. Der weitere Weg zur Beschreibung anderer komplexer Bergbauabwässer ist somit bereitet.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6255
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5814
Exam Date: 17-Nov-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 31-Mar-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::660 Chemische Verfahrenstechnik::660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): nanofiltration
modeling
Donnan steric partitioning pore model
dielectric exclusion
uranium-contaminated drainage
Nanofiltration
Modellierung
Donnan-sterisches Porenmodell
dielektrischer Ausschluss
uranbelastetes Sickerwasser
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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