Modeling transport phenomena with COMSOL Multiphysics - Adsorptive membrane fouling in lignocellulosic biorefineries and lessons learned from it

Abstract

The separation of hemicelluloses, like glactoglucomannans, from lignocellulosic process streams is an important step in building profitable lignocellulosic biorefineries. The most common method for the separation is membrane filtration, however, it has the draw-back of being sensitive to membrane fouling. To better understand the fouling process, it is desirable to be able to model the adsorption of hemicelluloses onto the membrane surface, since adsorption is a contributing mechanism in fouling.
In this project a model was developed in COMSOL Multiphysics®v.5.3. to simulate the adsorption of glucose, dextran and GGM as model compounds onto a model membrane surface of polysulfone and one of gold, respectively. The model in COMSOL considered bulk fluid dynamics and adsorption kinetics. The adsorption kinetics was investigated using Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D). Glucose and dextran had too weak adsorption kinetics to develop a suitable adsorption model. The adsorption of GGM was best described with pseudo-second-order model, compared with a pseudo-first-order model and the Langmuir adsorption model.
The pseudo-second-order model was unsuccessfully integrated with the COMSOL model as it lacked a direct connection to the bulk concentration. A reference model based on literature data for Langmuir kinetics failed to produce results comparable with the literature data. Further investigations into the adsorption kinetics for adsorption of hemicelluloses are needed to build a computer model for membrane fouling. These investigations need to consider the validity of the adsorption kinetic models applied as well as the underlying assumptions of the experimental methods.

Popular Abstract (Swedish)

Att försöka simulera adsorption
Datormodeller är användbara för att förutspå verkligheten men bara om man lyckas få dem att återspegla den först. För adsorptionsfenomen är detta extra knepigt då det är många underliggande antaganden som måste identifieras och uppfyllas.
Att kunna testa hypoteser i en datormodell innan man testar den i labbet eller ute i en stor fabrik är något som kan spara både tid och resurser. Ett område där en datormodell kan vara intressant är när man studerar nedsmutsning av membran, så kallad membranfouling. Membran används idag för att separera olika ämnen från procesströmmar baserat på ämnenas storlek. Vissa ämnen går igenom membranen, medan andra hålls kvar. Problemet är att ämnena också kan smutsa ner membranen genom att fastna på och i membranen vilket gör att de fungerar sämre. En typ av membranfouling sker genom adsorption, vilket är när ämnena på molekylnivå fäster sig på materialet som membranet är uppbyggt av.
För att kunna beskriva adsorption på membran med en datormodell behöver man veta två saker; 1. Hur rör sig ämnena i flödet när de inte sitter fast på membranytan? 2. Hur ser adsorptionskinetiken ut? Det vill säga: Hur snabbt fastnar ämnena på ytan och kan de lossna igen?
Den första frågan är relativt lätt att besvara då det finns många färdigbyggda datorprogram som beskriver hur olika ämnen rör sig med ett flöde och det finns mycket litteratur om hur ämnen rör sig genom ett flöde, till exempel av vatten. Man kan på så sätt få datorprogrammet att beskriva vilken koncentration som finns av ett ämne i varje punkt i flödet och hur den här koncentrationen förändras med tiden.
Den andra frågan är svårare då adsorptionskinetiken är specifik för kombinationen av ämne och material på ytan som ämnet fastnar på. Det finns olika typer av uttryck för att beskriva adsorptionskinetik där var och en har egna underliggande antaganden som måste uppfyllas för att uttrycket ska återspegla verkligheten. Det mest kända uttrycket för adsorptionskinetik är Langmuirkinetik som bland annat kräver att ämnet som adsorberar på ytan endast bygger upp ett lager som är en molekyl tjockt. För att kunna bestämma adsorptionskinetiken behöver man också göra experiment där man mäter hur mycket av ämnet som fäster på ytan beroende på koncentrationen man hade från början. Det finns många metoder för detta varav en metod är Quartz Crystal Microbalance and Dissipation Monitoring (QCM-D) som utnyttjar att frekvensen på vibrationerna i en kvartskristall som utsätts för ett elektriskt fält ändras när kristallens massa ökar, till exempel genom att något adsorberar på dess yta.
När man har besvarat de två frågorna och byggt ihop det till en datormodell finns det ytterligare en fråga man måste ställa sig. Återspeglar min modell verkligheten? I detta fall blev svaret nej. De viktigaste orsakerna till detta var att de underliggande antagandena för de undersökta adsorptionskinetiken samt för användandet av QCM-D inte var helt uppfyllda. När detta sker finns det bara en sak att göra, lära sig av sina misstag och försöka igen.

• author: Petersson, Linnéa
• supervisor: Gregor Rudolph; Anton Löfgren
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: QCM-D, Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring, Hemicellulose, GGM, Galactoglucomannans, Adsorption, Membrane fouling, COMSOL, Chemical engineering, Kemiteknik
• language: English
• id: 9029654
• date added to LUP: 2020-10-12 15:45:17
• date last changed: 2020-10-12 15:45:17