Ammonia is the second most-produced inorganic chemical; however, the production of ammonia through the Haber-Bosch process is an energy-intensive process, which uses up to 1% of the world’s energy production. Thus, the recovery of ammonia from waste streams would be beneficial for not only saving energy but also decreasing the nutrient loading to the natural ecosystem. Among various physical and chemical processes to recover ammonia, membrane contactors (MCs) can provide high efficiency with a compact design compared to conventional wet scrubbers. For the practical application of MC for the recovery of ammonia from anaerobic digestate of activated sludge; parameter studies, fouling, and cleaning strategy were examined, and finally, the process was modeled using physicochemical theories.
In Chapter 2, a series of experiments were performed to understand the impacts of operational parameters such as pH, flow rate, temperature, feed ammonium concentration, and type of absorbents. The results exhibited that ammonia recovery follows the physicochemical theories, while feed ammonium concentration gives negligible impact. There are no noticeable differences in ammonia recovery for absorbents ($H_3PO_4$, $H_2SO_4$, and HCOOH) tested, but $H_3PO_4$ exhibited slightly better ammonia recovery. At the optimal condition obtained from the experiment, the recovery of ammonia in semi-conductor wastewater was tested.
Chapter 3 contains a physicochemical model to simulate and predict MC processes in various operating conditions. The physicochemical models on the balance between ammonium ions and ammonia, phase conversion from the aqueous phase to gas phase expressed by Henry’s law, and gas transport through MC membrane pores explained by Fick’s law, are considered in series at various pH, temperature, contact time, and feed concentration. The results show that combined physicochemical models can successfully match and explain the ammonia recovery in the MC process. Among the operational parameters, pH and temperature are the most influential factors.
In Chapter 4, ammonia recovery from anaerobic digestate by MC was investigated. MC is proven to be useful for ammonia recovery; however, during the operation, ammonia recovery was significantly reduced after the deposition of particulates and organic matters. The major foulants attached to the MC were high molecular weight (MW) microorganism oriented organic matter (MOOM). Chemical cleaning using 2% NaCl followed by 2% HCl was proven to be effective on the MC. Related to chapter 3, the pore shrinkage due to the deposition of organic matters could successfully explain the decrease in ammonia removal in MC.
In this study, the feasibility of the MC process for the recovery of ammonia has been evaluated, it is suggested and concluded that the three-stage of MC could remove more than 90% of ammonia regarding the initial concentration of ammonia with proper pre-treatment and cleaning mechanism. Future studies may involve different types of cleaning solutions, spatial structure change of the membrane contactor, and more advanced pre-treatment techniques to improve the applicability of MC for ammonia recovery.
[Translated from English]
암모니아는 두 번째로 가장 많이 생산되는 무기 화학 물질이지만 하버-보쉬 공정을 통한 암모니아 생산은 전 세계 에너지 생산량의 1%를 사용하는 에너지 집약적인 공정이다. 따라서 폐기물 흐름에서 암모니아를 회수하는 것은 에너지를 절약할 뿐만 아니라 자연 생태계에 대한 영양소의 부하를 줄이는 데 도움이 될 것입니다. 암모니아를 회수하기 위한 다양한 물리적, 화학적 프로세스 중 멤브레인 컨택터(MC)는 기존의 습식 스크러버에 비해 콤팩트한 설계로 높은 효율성을 제공할 수 있다. 활성 슬러지의 혐기성 소화산으로부터 암모니아 회수에 대한 MC의 실용적인 적용을 위해 매개 변수 연구, 파울링 및 세척 전략을 조사했으며, 마지막으로, 이 과정은 물리화학적 이론을 사용하여 모델링되었다.
제2장에서는 pH, 유량, 온도, 사료암모늄 농도, 흡착제 종류 등 동작변수의 영향을 이해하기 위한 일련의 실험을 수행하였다. 암모니아 회수는 물리화학적 이론을 따르는 반면 암모늄 농도는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 시험 대상 흡착제($H_3PO_4$, $H_2SO_4$, HCOOH)의 암모니아 회수에는 유의미한 차이가 없으나 $H_3PO_4$가 약간 더 나은 암모니아 회수율을 보였다. 실험을 통해 얻은 최적의 조건에서 반도체 폐수에서 암모니아가 회수되는 것을 시험했다.
챕터 3에는 다양한 작동 조건에서 MC 프로세스를 시뮬레이션하고 예측하는 물리화학적 모델이 포함되어 있습니다. 암모늄 이온과 암모니아 사이의 균형에 대한 물리화학적 모델, 헨리의 법칙에 의해 표현된 수용기에서 기체상으로의 상전환, 그리고 Fick의 법칙에 의해 설명되는 MC막 기공을 통한 기체 수송은 다양한 pH, 온도, 접촉 시간, 공급 농도에서 연속적으로 고려된다. 그 결과는 결합된 물리화학 모델이 성공적으로 암모니아 회수 과정을 일치시키고 설명할 수 있다는 것을 보여준다. 작동 매개 변수 중에서 pH와 온도가 가장 영향력 있는 요인입니다.
챕터 4에서는 MC에 의한 혐기성 소화물로부터의 암모니아 회수가 조사되었다. MC는 암모니아 회수에 유용한 것으로 입증되었으나, 작업 중 미립자 및 유기물질 퇴적 후 암모니아 회수가 현저하게 감소하였다. MC에 부착되는 주요 오염물질은 고분자량(MW) 미생물 중심의 유기물(MOOM)이었다. MC는 2% NaCl에 이어 2% HCl을 사용한 화학세척이 효과가 있는 것으로 입증되었으며, 3장과 관련하여 유기물질 침적으로 인한 공극수축이 MC 내 암모니아 제거 감소를 성공적으로 설명할 수 있었다.
본 연구에서는 암모니아 회수를 위한 MC 공정의 타당성을 평가하였으며, 적절한 전처리 및 세척 메커니즘으로 3단계 MC가 암모니아 초기 농도와 관련하여 90% 이상의 암모니아를 제거할 수 있다는 결론을 내렸다. 향후 연구는 다양한 유형의 세척 용액, 막 접촉기의 공간 구조 변화 및 암모니아 회수에 대한 MC의 적용 가능성을 개선하기 위한 보다 진보된 전처리 기술을 포함할 수 있다.
