The aim of the dissertation to study small organic solute rejection in organic solvent nanofiltration using cheminformatics and machine learning. Chemically diverse datasets were curated using a novel medium high-throughput methodology and literature data extraction. These datasets contained thousands of datapoints of small organic solute rejections and process parameters. Different chemical fingerprinting has been used for feature generation, such as molecular descriptors, Morgan fingerprints, and latent-vector representation. These features were used to train different machine learning models, such as graph neural networks, partial least squares regression, and boosting tree algorithms. The obtained models were used to predict small organic solute rejection for nanofiltration related applications. Correlation between rejection and the molecular descriptors have been studied to deepen the understanding of transport and rejection through polymeric membranes. Explainable artificial intelligence concept was used to study the effect of solute, solvent and membrane structure on solute rejection. The conclusion of the dissertation highlights the importance of the chemical structure effect in nanofiltration and provides a future perspective on data-driven approached for nanofiltration and organic solvent nanofiltration.

Yes / The Reverse Osmosis (RO) input parameters have key roles in mass transport and performance indicators. Several studies can be found in open literature. However, an experimental research on evaluating the brackish water RO input parameters influence on the performance metrics with justifying the interference between them via a robust model has not been addressed yet. This paper aims to design, construct, and experimentally evaluate the performance of a 50 m3/d RO pilot-plant to desalinate brackish water in Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran. Water samples with various salinity ranging from 1000 to 5000 ppm were fed to a semi-permeable membrane under variable operating pressures from 5 to 13 bar. By evaluating permeate flux and brine flowrate, permeate and brine salinities, membrane water recovery, and salt rejection, some logical relations were derived. The results indicated that the performance of an RO unit is largely dependent on feed pressure and feed salinity. At a fixed feed concentration, an almost linear relationship was found to relate feed pressure and both permeate and brine flowrates. Statistically, it was found that 13 bar feed pressure results in a maximum salt rejection of 98.8% at a minimum permeate concentration of 12 ppm. Moreover, 73.3% reduction in permeate salinity and 30.8% increase in brine salinity are reported when feed pressure increases from 5 to 13 bar. Finally, it is concluded that the water transport coefficient is a function of feed pressure, salinity, and temperature, which is experimentally estimated to be 2.8552 L/(m2 h bar).

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第25011号 / 工博第5188号 / 新制||工||1990(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 / (主査)教授 SIVANIAH Easan, 教授 今堀 博, 教授 寺村 謙太郎 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Abstract Limited oil resources, environmental concerns and legislation promoting renewable energy and restricting carbon dioxide emissions have increased biofuel production in recent years. Other alternatives besides bioethanol and biodiesel are also needed to fulfil the continuously increasing transportation fuel demand. Production processes should be material, energy and resource efficient and sustainable, i.e. causing as low negative economic, environmental and social impacts as possible. There are still some limitations and development areas to be solved before feasible industrial biofuels and biochemicals production processes are obtained. The production of biobutanol and bioethanol was studied in this work. Production processes, challenges and improvement requirements were considered especially in the case of the Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) fermentation process. In addition, the sustainability assessment of biofuels production was discussed and an indicator-based approach to sustainability evaluation for different raw materials was used. Pervaporation as a product removal and purification method was experimentally studied. Two different applications were tested: a hydrophobic composite membrane with polydimethyl siloxane and polyacrylonitrile layers was used for the separation of acetone, n-butanol and ethanol from dilute aqueous solutions on a laboratory scale, and a hydrophilic polyvinyl alcohol membrane was applied for the dehydration of bioethanol at a pilot-scale. Results indicated that pervaporation can be used as a separation technique in biofuels production processes. New knowledge obtained during the research also promotes the efficient and sustainable production of biofuels and biochemicals and the development of industrial-scale applications. / Tiivistelmä Rajalliset öljyvarannot, huoli ympäristöstä sekä uusiutuvaa energiaa tukeva ja hiilidioksidipäästöjä rajoittava lainsäädäntö ovat lisänneet biomassapohjaisten polttoaineiden ja kemikaalien valmistusta ja käyttöä viime vuosina. Jatkuvasti kasvavan polttoainetarpeen täyttämiseksi tarvitaan myös muita vaihtoehtoja nykyisin käytössä olevien bioetanolin ja -dieselin lisäksi. Tuotantoprosessien tulisi olla materiaali-, energia- ja kustannustehokkaita sekä kestäviä aiheuttaen mahdollisimman vähän haitallisia taloudellisia, sosiaalisia ja ympäristöllisiä vaikutuksia. Biokemiallisissa, käymisen avulla tapahtuvissa polttoaineiden valmistusprosesseissa on kuitenkin vielä rajoitteita ja kehitystarpeita, jotka tulee ratkaista kannattavan teollisen mittakaavan tuotannon mahdollistamiseksi. Tässä työssä tutkittiin biopolttoaineiden, erityisesti biobutanolin ja -etanolin, valmistusta. Tuotantoprosesseja on esitelty työssä haasteiden ja kehitystarpeiden näkökulmasta. Lisäksi on käsitelty biopolttoaineiden tuotannon kestävyyden arviointia ja osoitettiin tapa verrata eri raaka-aineiden kestävyyttä valittujen indikaattoreiden avulla. Työn kokeellisessa osuudessa tutkittiin pervaporaatiota tuotteiden (asetoni, n-butanoli, etanoli) erotuksessa ja puhdistuksessa. Kahta eri sovellusta testattiin: hybrofobista polydimetyylisiloksaani- ja polyakrylonitriili-kerroksista koostuvaa komposiittikalvoa käytettiin asetonin, n-butanolin ja etanolin erottamiseen erilaisista vesiliuoksista laboratoriomittakaavan laitteistolla sekä hydrofiilistä, polyvinyylialkoholi-kalvoa bioetanolin vedenpoistoon pilot-mittakaavassa. Lisäksi testattiin aktiivihiilisuodatuksen käyttöä bioetanolin esipuhdistuksessa haitallisten komponenttien osalta ennen pervaporaatiota. Koetulokset osoittavat, että pervaporaatiota voidaan käyttää biopolttoaine-sovellusten erotusmenetelmänä. Tutkimuksen aikana saatu uusi tieto edistää biomassapohjaisten polttoaineiden ja kemikaalien tehokasta ja kestävää tuotantoa ja kehitystä kohti teollisen mittakaavan sovelluksia.

Efterfrågan på energi ökar snabbt, och denna trend förväntas bestå. Det råder dock ingen tvekan om att världen för närvarande befinner sig i en energikris, som är en katastrof både ekonomiskt och miljömässigt. Följaktligen är sökandet efter alternativa energikällor för att ersätta fossila bränslen absolut nödvändigt. Biobränslen som härrör från biomassa ökar i popularitet på grund av deras höga tillgänglighet och förmåga att minska utsläppen av växthusgaser. Butylbutyrat är ett potentiellt substitut för diesel- och flygmotorbränsle, vilket gör det till en viktig energikälla för både land- och lufttransporter. I den här studien undersöks enzymatisk katalys för produktion av butylbutyrat genom förestring av butanol och smörsyra med hjälp av olika membran. Användningen av enzymer som katalysatorer erbjuder många fördelar jämfört med traditionella kemiska katalysatorer, såsom ökad selektivitet, mildare reaktionsförhållanden och miljövänliga processer. Estrarnas byggstenar, n-butanol och smörsyra, är viktiga kemikalier och kan produceras i biotekniska processer med hjälp av förnybara källor som lignocellulosabaserad biomassa, vilket bidrar till övergången från en petroleumbaserad till en hållbar energiförsörjning. Produktionen av butanol och smörsyra i bioreaktorer försvåras av de typiska hindren för biobränsleproduktion, såsom produkthämning, höga bearbetningskostnader i efterföljande led och låga utbyten. NanoLodge-projektet bygger på tre reaktorer, en för produktion av butanol och en för smörsyra, i två separata men sammankopplade kontinuerliga Clostridium fermenteringar, och ett tredje reaktionssystem för enzymatisk förestring. Alla tre processerna i en, med dedikerade membran som separerar de olika reaktiva systemen, förväntas öka utbytet och samtidigt skapa en mycket integrerad anläggning som kan skalas upp för storskalig drift. Med hjälp av Raman-spektroskopi, GC-FID, FTIR och SEM undersöktes och karakteriserades fem distinkta material och deras relativa membranförändringar, inklusive enzymet på det översta lagret. FTIR-resultaten indikerade att för några av dem var porerna effektivt fuktade med reaktanterna, och membranens hydrofobicitet ökades genom att applicera lämplig beläggning, som även innefattade enzymet. Även om varken syntes av butylbutyrat eller passage genom de olika skikten av membranen inträffade, visade Raman-spektroskopi och GC-FID att et av membranen var en möjlig kandidat för förestring. Dessutom kunde inte alla testade membran motstå reaktionsmediet eftersom SEM-bilder avslöjade att vissa områden av ytan och strukturen hade ändrats något. Mer studier behövs för att fastställa att det med lovande membranet och dess modifieringar, särskilt den hydrofoba naturen och det immobiliserade enzymet, är acceptabla för butylbutyratsyntes. Ytterligare forskning kan utforska processoptimering, enzymimmobiliseringstekniker och reningsmetoder nedströms för att förbättra den totala effektiviteten och ekonomiska bärkraften för denna enzymatiska förestringsprocess.

Thesis (MTech (Chemical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2012. / Recently much research and development has been done into the creation of desalination systems in South Africa, with particular emphasis on the commercialisation of desalination plants that serve local communities. This has been successful - there are currently plants running at Bitlerfontien, Bushmans River Mouth and Robben Island - although membrane fouling and scaling remains a problem associated with membrane desalination, as it does worldwide The aim of this study was to Investigate the performance of different type of antiscalants on artificially scaled membranes which we prepared inside the lab as well as on scaled membranes which were used in pilot plant. We used two type of anti-sealants in our research: Vitec 3000 and Zinc ions. The effects of these anti-sealants on the membrane were determind and the RO performances of the treated and untreated membrane compared. A suitable autopsy procedure was established and was then used to autopsy the XLE 4040 membranes. The autopsied membranes were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy (OM). The SEM and OM results clearly showed that scaling had taken place: deposits were observed for both the shell and core samples, which were not present in the images of the untreated membrane, especially when looking at high SEM images magnification. Results also showed that the anti-sealants reduced the fouling and scaling on the membrane surface. As a result, the membrane rejection improved. Rejection and flux results indicated that commercial anti-sealant was more effective in preventing scaling than the Zinc ions. For Vitec anti-sealant case, the flux was in steady state at 36.8 Imh (5% less) after 5 hours compared to around 35 Imh (8% less) for zinc ions case. In addition; SEM images showed that less deposited particles are formed when the membrane was treated with commercial anti-sealant.

Abstract Fertilizer industry often generates phosphorous rich wastewaters containing heavy metals. While phosphorous is a valuable compound for the industry, heavy metals hinder the recovery of phosphorous due to their detrimental effects on human health and the environment. Consequently, heavy metals must be removed from the wastewaters. In this study the use of micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF) was evaluated for the removal of cadmium, copper, zinc and nickel from phosphorous rich wastewaters. This study has been conducted following a systematic methodology from single metal synthetic wastewaters to more complex synthetic and real wastewaters. The experimental work was conducted in a laboratory scale stirred cell using 3, 5 and 10 kDa regenerated cellulose membranes and in a cross flow semi-pilot scale equipment using a 10 kDa spiral wound polyethersulphone membrane. Statistical design of experiments was used as the research methodology to evaluate the effect of factors on the MEUF process performance as well as for finding optimal conditions. The factors studied were heavy metal, phosphorous and surfactant feed concentrations, pH, membrane nominal molecular weight limits, transmembrane pressure and cross flow velocity. The membrane performance was characterized by the heavy metal retention/rejection coefficients and the permeate flux. The experimental results showed that the removal of heavy metals from single synthetic wastewaters by MEUF is more efficient for more diluted systems. In complex systems containing phosphorous, simultaneous removal of heavy metals was successfully achieved obtaining rejection coefficients up to 80%. Phosphorous was not retained by the membrane showing the potential applicability of MEUF to purify phosphorous rich wastewaters. The study of metal complex formation and heavy metal competition has been shown to be very important in order to predict the MEUF results. Concentration polarization phenomenon was insignificant in the synthetic wastewaters but it was more severe when applying MEUF to real wastewaters. In addition, with real wastewaters SDS leakage was insignificant. This study has provided new and valuable knowledge regarding the applicability of MEUF to industrial wastewater treatment. / Tiivistelmä Lannoiteteollisuus tuottaa usein jätevesiä, jotka sisältävät huomattavia määriä fosforia, sekä pieniä määriä raskasmetalleja. Vaikka fosfori on tärkeä raaka-aine lannoiteteollisuudelle, jätevesissä olevat raskasmetallit kuitenkin estävät sen hyötykäyttöä fosforin lähteenä. Raskasmetallit ovat haitallisia sekä luonnolle että ihmisten terveydelle, joten niiden erottaminen jätevesistä on tärkeää. Tässä työssä tutkittiin miselliavusteisen ultrasuodatuksen (MEUF) käyttöä kadmiumin, kuparin, sinkin ja nikkelin poistamiseen fosforipitoisista jätevesistä. Väitöskirjatyössä tutkittiin systemaattisesti synteettisiä jätevesiä, jotka sisälsivät joko yhtä tai useita raskasmetalleja, sekä lannoitetehtaalta kerättyjä jätevesiä. Kokeet tehtiin laboratoriomittakaavan sekoituskennolla, jossa käytettiin 3, 5 ja 10 kDa:n regeneroituja selluloosakalvoja, sekä semi-pilot -mittakaavan spiraalielementillä, jonka materiaalina oli 10 kDa:n polyeetterisulfonikalvo. Väitöskirjatyössä hyödynnettiin tilastollista koesuunnittelua, jonka avulla arvioitiin muuttujien vaikutuksia MEUF-prosessin käyttäytymiseen. Koesuunnittelua hyödynnettiin myös optimiolosuhteiden määrittelemisessä. Koesuunnitelmien muuttujina olivat raskasmetallien, fosforin ja pinta-aktiivisen aineen pitoisuudet, pH, suodatuskalvojen katkaisukoot, paine sekä ristikkäisvirtauksen nopeus. Kalvon käyttäytymistä arvioitiin raskasmetallien erotustehokkuuden ja permeaattivuon avulla. Koetulokset osoittivat raskasmetallien erotuksen olevan tehokkainta synteettisistä, yhtä metallia sisältävistä jätevesistä, joiden raskasmetallipitoisuus oli pieni. Fosforia sisältävistä monimetalliliuoksista saavutettiin 80 %:inen raskametallien poistotehokkuus. Kalvoerotuksessa fosforipitoisuus ei muuttunut merkittävästi, mikä osoittaa MEUF:n olevan potentiaalinen menetelmä raskasmetallien poistamiseen fosforipitoisista jätevesistä. Metallikompleksien muodostumisen ja raskasmetallien välisen kilpailun ymmärtäminen osoittautuivat erittäin tärkeiksi MEUF-tuloksien ennustamisessa. Konsentraatiopolarisaatioilmiö ei ollut merkittävä käsiteltäessä synteettisiä jätevesiä, mutta teollisten jätevesien käsittelyssä ilmiöllä oli huomattava vaikutus permeaattivuohon. Kuitenkin teollisen jätevesien käsittelyssä SDS:n vuotaminen kalvon läpi oli merkityksetöntä. Tämä tutkimus on antanut uutta ja merkittävää tietoa MEUF:n soveltuvuudesta teollisten jätevesien käsittelyn.

Abstract Industrial wastewaters are complex waters, which can contain a large variety of compounds such as heavy metals and salts as well as nutrients, e.g. nitrogen compounds and phosphorous. Prevention of wastewater formation is not always possible and therefore new more efficient water treatment techniques are needed. Legislation also supports the use of more efficient water treatment techniques, which can lead to better purification results and the recovery of valuable compounds from wastewaters. One technique, which has been of interest, is membrane technology. Membrane technology can separate heavy metals, salts and nutrients effectively, also at low concentrations, which is not always possible with conventional water treatment methods. The main disadvantage of membrane technologies is membrane fouling, which reduces the membrane permeate flux and separation efficiency. In this thesis membrane techniques were combined into hybrid processes to increase the efficiency of water treatment to reduce fouling and to widen the application areas of membrane technologies, as well as to increase the awareness of the benefits gained when using hybrid membrane processes in wastewater treatment. Three different hybrid membrane processes were applied. Catalytically active nanofiltration membranes were used to purify real mine wastewaters from harmful compounds, including sulphate. A catalytic layer reduced the membrane fouling tendency. Micellar-enhanced ultrafiltration was applied successfully to the separation of heavy metals from phosphorous-rich wastewater of a fertilizer company to achieve selective separation. In addition, reverse osmosis and membrane distillation were applied to the concentration of heavy metals, a metalloid and nitrogen compounds containing synthetic wastewater efficiently. High volume concentration factor was achieved with the RO-MD process. In this thesis high heavy metal, metalloid, and salt removal efficiencies were achieved with all hybrid membrane techniques. Hybrid membrane techniques were also categorized based on their properties. The study provides new knowledge on hybrid membrane techniques in the removal of inorganic compounds from industrial waters. / Tiivistelmä Teollisuuden jätevedet voivat sisältää kohonneita haitta-ainepitoisuuksia, kuten raskasmetalleja ja suoloja. Teollisuuden jätevedet voivat sisältää myös ravinteita, esimerkiksi typen yhdisteitä ja fosforia. Jätevesien syntymistä ei aina voida ennaltaehkäistä, ja siksi uusille entistä tehokkaammille vedenkäsittelymenetelmille on tarvetta. Lisäksi myös lainsäädäntö vaatii entistä tehokkaampaa vesien puhdistusta, mikä osaltaan edistää entistä tehokkaampien puhdistustekniikoiden kehitystä sekä erotettujen aineiden talteenottoa. Yksi aktiivisen tutkimuksen kohteena oleva vesienkäsittelyssä käytetty menetelmä on kalvoerotustekniikka. Kalvoerotustekniikoilla voidaan erottaa tehokkaasti raskasmetalli-ioneja, sulfaattia ja ravinteita, kuten typpiyhdisteitä teollisuuden jätevesistä myös alhaisissa pitoisuuksissa, missä yleisesti käytettävät menetelmät voivat olla tehottomia. Yksi kalvoerotusmenetelmien ongelma on kalvojen likaantuminen, mikä alentaa kalvojen erotustehokkuutta ja vähentää tuottavuutta. Tässä tutkimuksessa kalvojen likaantumistaipumista on vähennetty yhdistämällä kalvoerotustekniikoita muihin erotusmenetelmiin hybriditekniikoiksi. Tässä työssä on tutkittu kolmea eri hybridimenetelmää. Sinkkioksidilla pinnoitettuja nanosuodatuskalvoja tutkittiin ja verrattiin kaupallisiin nanosuodatuskalvoihin kaivosteollisuuden vesien puhdistuksessa mm. sulfaatista. Katalyyttipinnoite muutti kalvoja vähemmän likaantuviksi, ja näin menetelmän tehokkuus parani. Miselliavusteisella ultrasuodatuksella erotettiin fosforipitoisesta lannoitetehtaan jätevedestä raskasmetalleja selektiivisesti, ja näin mahdollistettiin fosforin uudelleenkäyttö. Kolmannessa tutkimuskohteessa konsentroitiin kalvotislauksen ja käänteisosmoosin yhdistelmällä raskasmetalli- ja typpiyhdisteitä sisältävää synteettistä jätevettä pieneen tilavuuteen. Työssä saavutettiin korkeita raskasmetallien ja suolojen erotustehokkuuksia kaikilla käytetyillä tekniikoilla. Työssä arvioitiin myös yhteenvetona erilaisten hybridimembraanitekniikoiden eroja ja ominaisuuksia ja tekniikoita jaoteltiin menetelmien ominaisuuksien mukaan. Työ antoi uutta tietoa hybridimembraanitekniikoista epäorgaanisten aineiden erotuksessa teollisuuden vesistä.

Abstract Volatile Organic Compounds (VOCs) in wastewaters from the chemical industry are of major concern because of their environmental and health impacts. The reclamation of VOCs from wastewaters would not only reduce the hazard to the environment but also contribute to an efficient use of resources. The thesis explores the reclamation of n-butanol and dichloromethane from sodium chloride containing mixtures by pervaporation. Another aim was to gain understanding of mass transport phenomena during the pervaporation of multicomponent systems, and the effect of sodium chloride on the pervaporation performance. In this work, the reclamation of n-butanol and dichloromethane was conducted as a sequence of pervaporation stages which utilised first hydrophobic and then hydrophilic membranes. The objective was to segregate the mixture of n-butanol/dichloromethane/sodium chloride/water into three different streams: a re-use quality concentrate of VOCs, brine, and discharge quality purified water. The effect of the experimental variables, VOCs feed concentration, feed temperature and sodium chloride content on the performance of the pervaporation stages was studied. A statistical design, response surface methodology, was used to further resource efficiency. The results indicate the potential of pervaporation for the reclamation of n-butanol and dichloromethane from aqueous mixtures. A single step of pervaporation of n-butanol/dichloromethane/sodium chloride/water systems using the CMX-GF-010-D (Celfa) and PERTHESE® 500-1 (P 500-1) membranes does not sufficiently concentrate the VOCs for direct re-use. It is also demonstrated that the electrolyte does not permeate through the membranes and does not affect their separation effectiveness significantly. The pervaporation of the water/dichloromethane/n-butanol system using the hydrophilic poly(vinyl alcohol)-titanium dioxide/polyacrylonitrile/polyphenylene sulfide (PVA-TiO2/PAN/PPS) membrane is effective for dewatering purposes. The membrane shows impermeable features towards dichloromethane in the studied conditions. The analysis of the mass transport phenomena demonstrates that, under the experimental conditions studied, the resistance towards the mass transport of the compounds through the membrane is mainly exhibited by the membrane itself. This study also shows the advantage of analysing the effect of temperature on membrane permeation by the permeation activation energy instead of by the apparent activation energy.

This diploma thesis presents the knowledge of wastewater reuse. The theoretical part of the thesis describes types of wastewater (greywater, brownwater, and yellow-water) and their characteristics. Further, the theoretical part describes the possibilities of re-use of wastewater as a source of water in detail, including treatment technology, and the heat recuperation from wastewater. The practical part of the thesis uses gained knowledge for designing a greywater treatment and heat recovery technology of grey water in an apartment complex.