1

TANGENTIAL FLOW MEMBRANE FILTRATION (TFMF)

APPLICATIONS IN WASTEWATER REUSE AND BRACKISH

GROUNDWATER PLUS HIGH CHLORIDE SURFACE WATER

TREATMENT

Daniel Christodoss, PhD, PE

URS Corporation 10550 Richmond Ave, Houston, TX 77042

(817) 894-1357

Daniel.christodoss@urs.com

Abstract

This paper will address the challenges the nation, especially Texas, is facing due to the ongoing

drought, and discuss how proper optimized application of TFF Membrane Processes can offset

the acute shortage in water supply by tapping strategic water supply resources available in

abundance.

This strategy is promoted by the Texas Water Development Board, Texas Commission of

Environmental Quality and various regulatory agencies nationwide while currently, actively

promoted by AWWA, WEF and ASCE.

Understanding membrane operational processes and conditions that promote the longevity of the

membrane and maximum operational efficiency to provide the best return on investment at the

lowest life cycle cost is important to make membrane processes competitive with conventional

water treatment. This paper hopes to bridge concept and reality with practical experiences in

concept implementation, optimal design and strategic application to the national water crisis.

Tangential Flow Membrane Filtration is a viable solution to increase the nation's water supply

especially in drought stricken areas by application of this technology to brackish groundwater

and wastewater effluent reuse applications.

Introduction

Tangential Flow Filtration (TFF), also called Cross Flow Filtration (CFF), is a rapid and efficient

method for filtration to treat brackish ground water and wastewater for reuse applications to

augment the current national shortage of water supply and the acute shortage currently being

faced in Texas. TFF is a process whereby raw water flow (feed) is directed tangentially along

the surface of a membrane with most of the solution circulated back to the feed tank. The rapid

flow of feed solution across the membrane acts to 'sweep' the surface, reducing concentration

polarization (product concentration at the membrane surface). It also prevents build-up of

foulants that can plug the pores at the membrane surface. The rapid cross flow creates a pressure

drop, which forces some of the feed solution and dissolved molecules that are smaller than the

pores in the membrane, through the membrane filter. The solution that passes through the

2

membrane is referred to as filtrate or permeate. Molecules or particles larger than the membrane

pores are retained in the feed solution and effectively concentrated.

The fluid dynamics of cross flow filtration reduces membrane fouling and maintains filtration

rates (flux) for a longer period of use, thus increasing membrane throughput (greater capacity)

compared to traditional cartridge (direct flow) filtration. Additional advantages of TFF include

the ability to reuse the filter modules and relatively low capital costs.

TFF can be applied to a wide range of water and wastewater fields right through pilot and full-

scale production. In order for TFF to be successful a thorough knowledge of design and

operational criteria is important from project conception to implementation.

Outline of this Paper

This paper will progress using the following outline for effective organization and readability.

•• WWhhaatt iiss ffiillttrraattiioonn?? TTyyppeess ooff FFiillttrraattiioonn??

•• FFiillttrraattiioonn CCllaassssiiffiiccaattiioonn

•• IInnttrroodduuccttiioonn ttoo TTFFFF aanndd AApppplliiccaattiioonnss

•• CCoonnffiigguurraattiioonnss && OOppeerraattiioonnaall CCoonncceerrnnss

•• QQuuaalliittyy CCoonnttrrooll aanndd FFiillttrraattee MMoonniittoorriinngg

•• IInnccrreeaassiinngg FFiillttrraattiioonn RRaattee aanndd FFiillttrraattiioonn TThheeoorryy

•• AAddvvaannttaaggeess ooff TTFFFF

•• TTFFFF DDeessiiggnn PPrriinncciipplleess aanndd EExxaammppllee

What is Filtration?

• FFiillttrraattiioonn iiss tthhee uussee ooff aa mmeeddiiuumm ttoo sseeppaarraattee ssoolliiddss ffrroomm lliiqquuiidd..

• TThhee ssoolliiddss ccaann bbee ffrroomm tthhee ssiizzee ooff ppaarrttiicclleess ddoowwnn ttoo cceellllss oorr cceelllluullaarr ttiissssuuee ddoowwnn ttoo

iinnddiivviidduuaall mmoolleeccuulleess..

• DDeeppeennddiinngg oonn tthhee ffiillttrraattiioonn mmeeddiiuumm cchhoosseenn aass tthhee ffiilltteerr mmaatteerriiaall,, sseelleeccttiivvee ccuutt--ooffff ooff

ppaarrttiiccllee ssiizzeess aarree aacchhiieevveedd iinn tthhee ffiillttrraattiioonn pprroocceessss..

Selectivity in Filtration

•• FFiillttrraattiioonn iiss uussuuaallllyy uuttiilliizzeedd ttoo ccoonncceennttrraattee tthhee mmaatteerriiaall ffoorr mmiinneerraall eexxttrraaccttiioonn oorr

ppuurriiffiiccaattiioonn..

•• FFiillttrraattiioonn ccaann pprroovviiddee sseelleeccttiivviittyy bbaasseedd oonn ssiizzee,, bbuutt nnoott oonn cchhaarrggee..

TTyyppeess ooff FFiillttrraattiioonn

FFiillttrraattiioonn iiss uussuuaallllyy bbrrookkeenn ddoowwnn iinnttoo ttwwoo pprriimmaarryy tteecchhnniiqquueess::

•• ddeeaaddeenndd

•• ccrroossss--ffllooww ffiillttrraattiioonn

3

TThheeoorryy ooff FFiillttrraattiioonn

FFiillttrraattiioonn tthheeoorryy iiss eexxppllaaiinneedd iinn tthhee ffoolllloowwiinngg iilllluussttrraattiioonn..

•• IInn ffiillttrraattiioonn,, ssoolliidd ppaarrttiicclleess

aarree sseeppaarraatteedd ffrroomm ssoolliidd--

lliiqquuiidd mmiixxttuurreess bbyy ffoorrcciinngg

tthhee fflluuiidd tthhrroouugghh aa ffiilltteerr

mmeeddiiuumm oorr ffiilltteerr ccllootthh tthhaatt

rreettaaiinnss tthhee ppaarrttiicclleess..

•• TThhee FFiillttrraattiioonn rraattee ccaann bbee

iimmpprroovveedd eeiitthheerr bbyy uussiinngg aa

vvaaccuuuumm oorr pprreessssuurree..

•• FFiilltteerr aaiiddeess ssuucchh aass

DDiiaattoommaacceeoouuss EEaarrtthh wwhhiicchh

aarree hhiigghhllyy ppoorroouuss aallssoo

iimmpprroovvee tthhee ffiillttrraattiioonn rraattee..

•• FFiillttrraattiioonn tthheeoorryy iiss uusseedd ttoo

eessttiimmaattee tthhee rraattee ooff

ffiillttrraattiioonn..

TThhee rraattee ooff ffiillttrraattiioonn iiss uussuuaallllyy mmeeaassuurreedd aass tthhee rraattee aatt wwhhiicchh lliiqquuiidd ffiillttrraattee iiss ccoolllleecctteedd.. FFiillttrraattiioonn

rraattee ddeeppeennddss uuppoonn::

•• AArreeaa ooff tthhee ffiilltteerr ccllootthh oorr mmeemmbbrraannee

•• VViissccoossiittyy ooff tthhee fflluuiidd

•• TThhee pprreessssuurree ddiiffffeerreennccee aaccrroossss tthhee ffiilltteerr

•• TThhee rreessiissttaannccee ttoo ffiillttrraattiioonn ooffffeerreedd bbyy tthhee ccllootthh oorr mmeemmbbrraannee aanndd ddeeppoossiitteedd ffiilltteerr ccaakkee..

TThheerree aarree sseevveerraall wwaayyss ttoo iinnccrreeaassee tthhee ffiillttrraattiioonn rraattee iinn tthheeoorryy::

•• iinnccrreeaassee tthhee ffiillttrraattiioonn aarreeaa ((AA))

•• rreedduucciinngg tthhee ffiillttrraattiioonn pprreessssuurree ddrroopp ((mmeemmbbrraannee cclleeaanniinngg)) ∆∆PP ddeeccrreeaasseess αα,, wwhhiicchh

ccaauusseess ffiillttrraattiioonn rraattee ttoo iinnccrreeaassee..

•• rreedduuccee tthhee ccaakkee mmaassss

•• rreedduuccee tthhee lliiqquuiidd vviissccoossiittyy ((bbyy ddiilluuttiioonn))

•• rreedduuccee ssppeecciiffiicc ccaakkee rreessiissttaannccee ((αα))

•• IInnccrreeaassee ppoorroossiittyy

•• RReedduuccee ppaarrttiiccllee ssiizzee

4

DDeeaaddeenndd FFiillttrraattiioonn

DDeeaaddeenndd ffiillttrraattiioonn iiss wwhheenn tthhee ffeeeedd mmaatteerriiaall iiss ffoorrcceedd tthhrroouugghh tthhee mmeemmbbrraannee.. TThhee ffllooww iiss oonnllyy iinn

tthhee ddiirreeccttiioonn ppeerrppeennddiiccuullaarr ttoo tthhee mmeemmbbrraannee.. AAllll tthhee ssuussppeennddeedd ssoolliiddss iinn tthhee ffeeeedd eenndd uupp oonn tthhee

mmeemmbbrraannee iinn aa ffiilltteerr ccaakkee..

CCrroossssffllooww FFiillttrraattiioonn ((TTaannggeennttiiaall FFllooww FFiillttrraattiioonn oorr TTFFFF))

IInn ccrroossss--ffllooww ffiillttrraattiioonn tthhee ffeeeedd mmaatteerriiaall iiss aalllloowweedd ttoo ffllooww ppaarraalllleell ttoo tthhee mmeemmbbrraannee,, wwhhiillee tthhee

pprreessssuurree ggrraaddiieenntt iiss aaccrroossss tthhee mmeemmbbrraannee.. TThhee pprriimmaarryy aaddvvaannttaaggee ooff ccrroossss--ffllooww ffiillttrraattiioonn iiss tthhaatt

iitt aalllloowwss tthhee ssoolliiddss ttoo bbee kkeepptt iinn ssuussppeennssiioonn aanndd mmiinniimmiizzeess tthhee bbuuiilldd uupp ooff aa ffiilltteerr ccaakkee ttoo pplluugg oorr

ffoouull tthhee mmeemmbbrraannee.. TThhiiss iiss aacchhiieevveedd bbyy kkeeeeppiinngg tthhee ffllooww ddiirreeccttiioonn ooff tthhee rreetteennttaattee ppeerrppeennddiiccuullaarr

ttoo tthhee ffllooww ddiirreeccttiioonn ooff tthhee ppeerrmmeeaattee..

TThhee ddiiffffeerreenncceess bbeettwweeeenn tthhee ttwwoo ffiillttrraattiioonn ttyyppeess aarree sshhoowwnn oonn FFiigguurree 11..

FFiigguurree 11 TTwwoo TTyyppeess ooff FFiillttrraattiioonn

5

FFiillttrraattiioonn CCllaassssiiffiiccaattiioonn

FFiillttrraattiioonn ccllaassssiiffiiccaattiioonn ffaallllss iinnttoo sseevveerraall ccaatteeggoorriizzeess aass iilllluussttrraatteedd iinn TTaabblleess 11,, 22 aanndd 33,, ddeeppeennddiinngg

oonn tthhee ssiizzee ooff tthhee ssuubbssttaannccee bbeeiinngg eexxcclluuddeedd bbyy tthhee mmeemmbbrraannee..

TTaabbllee 11 FFiillttrraattiioonn CCllaassssiiffiiccaattiioonn

CCllaassssiiffiiccaattiioonn SScchheemmaattiicc

MMiiccrrooffiillttrraattiioonn ggeenneerraallllyy rreeffeerrss ttoo tthhee

ffiillttrraattiioonn ooff ssuussppeennssiioonn ppaarrttiiccllee ssuucchh aass

cceellllss aanndd cceelllluullaarr ffrraaggmmeennttss

UUllttrraaffiillttrraattiioonn iiss tthhee ffiillttrraattiioonn ooff

mmaaccrroommoolleeccuulleess

RReevveerrssee OOssmmoossiiss iiss tthhee ffiillttrraattiioonn ooff

mmoolleeccuulleess ssuucchh aass ssaallttss aanndd ssuuggaarrss

TTaabbllee 22 CCuuttooffff RRaannggeess iinn FFiillttrraattiioonn BBaasseedd oonn MMeemmbbrraannee CCllaassssiiffiiccaattiioonn

6

Table 3 Relationship Between The Common Measurements Used in Filtration

The above tables illustrate that pressure driven membranes are divided into four main divisions

based on pore size:

•• MMiiccrrooffiillttrraattiioonn ((MMFF))

•• UUllttrraaffiillttrraattiioonn ((UUFF))

•• NNaannooffiillttrraattiioonn ((NNFF))

•• RReevveerrssee OOssmmoossiiss ((RROO))

SSoommee hhiigghhlliigghhttss rreellaatteedd ttoo mmiiccrrooffiillttrraattiioonn aanndd uullttrraaffiillttrraattiioonn aarree pprroovviiddeedd bbeellooww..

MMiiccrrooffiillttrraattiioonn

00..11 ttoo 1100 µµmm ffiilltteerr ssiizzeess

UUsseedd ttoo sseeppaarraattee cceellllss

UUllttrraaffiillttrraattiioonn

MMWW rraannggee 22000000 ttoo 550000,,000000 ((22 ttoo 550000 kkiilloo DDaallttoonnss ((kkDD))))

UUsseedd ttoo ccoonncceennttrraattee oorr ssiieevvee pprrootteeiinnss bbaasseedd oonn ssiizzee

Decreasing

Pore Size

7

AA tthhiinn mmeemmbbrraannee wwiitthh ssmmaallll ppoorreess ssuuppppoorrtteedd bbyy aa tthhiicckkeerr mmeemmbbrraannee wwiitthh

llaarrggeerr ppoorreess

LLooww MMWW ssoolluutteess ppaassss tthhrroouugghh tthhee ffiilltteerr aanndd hhiigghh MMWW ssoolluutteess aarree rreettaaiinneedd

PPrreessssuurree ddrriivveenn pprroocceessss

CCaann rreessuulltt iinn ccoonncceennttrraattiioonn ppoollaarriizzaattiioonn aanndd ggeell ffoorrmmaattiioonn aatt mmeemmbbrraannee

ssuurrffaaccee

TTFFFF AApppplliiccaattiioonnss

MMiiccrrooffiillttrraattiioonn aanndd uullttrraaffiillttrraattiioonn pprroocceesssseess iinnccoorrppoorraattiinngg ttaannggeennttiiaall ffllooww oorr ccrroossss ffllooww ffiillttrraattiioonn

iiss uuttiilliizzeedd iinn aa wwiiddee rraannggee ooff bbiioopphhaarrmmaacceeuuttiiccaall aapppplliiccaattiioonnss.. EExxaammpplleess ooff aa ffeeww ttyyppiiccaall

aapppplliiccaattiioonnss aarree lliisstteedd bbeellooww::

•• WWaatteerr DDeessaalliinnaattiioonn aanndd BBrraacckkiisshh WWaatteerr TTrreeaattmmeenntt ++ CCoonncceennttrraattiioonn aanndd ddeessaallttiinngg ooff

pprrootteeiinn,, ppeeppttiiddee,, aanndd oolliiggoonnuucclleeoottiiddee ssoolluuttiioonnss

•• PPuurriiffiiccaattiioonn aanndd rreeccoovveerryy ooff aannttiibbooddiieess oorr rreeccoommbbiinnaanntt pprrootteeiinnss

•• VVaacccciinnee aanndd ccoonnjjuuggaattee ccoonncceennttrraattiioonn aanndd ddiiaaffiillttrraattiioonn..

•• FFrraaccttiioonnaattiioonn ooff pprrootteeiinn mmiixxttuurreess

•• BBlloooodd ppllaassmmaa ffrraaccttiioonnaattiioonn aanndd ppuurriiffiiccaattiioonn

•• CCeellll bbrrootthh ccllaarriiffiiccaattiioonn,, ccoonncceennttrraattiioonn

•• CCeellll ccuullttuurree ppeerrffuussiioonn ssuucchh aass iinn mmoonnoocclloonnaall aannttiibbooddyy ((MMaabb)) pprroodduuccttiioonn

•• CCllaarriiffiiccaattiioonn ooff FFeerrmmeennttaattiioonn bbrrootthhss

•• CCoonncceennttrraattiioonn aanndd wwaasshhiinngg ooff bbaacctteerriiaall cceellllss

•• WWaatteerr aanndd bbuuffffeerr ppuurriiffiiccaattiioonn ((eennddoottooxxiinn rreemmoovvaall))

IInn ccrroossss--ffllooww ffiillttrraattiioonn ((TTFFFF)) tthhee mmeemmbbrraannee ddooeess tthhee pprriimmaarryy wwoorrkk ccoommppaarreedd ttoo tthhee ccoommbbiinnaattiioonn

ooff ccaakkee aanndd mmeemmbbrraannee iinn ddeeaaddeenndd ccaakkee ffiillttrraattiioonn.. TThhee ccrroossss--ffllooww aalllloowwss tthhee mmeemmbbrraannee ttoo bbee

sswweepptt ffrreeee ooff ssoolliiddss aalllloowwiinngg ffoorr aa lloowweerr rreessiissttaannccee ttoo fflluuiidd ffllooww tthhrroouugghh tthhee mmeemmbbrraannee.. AAss

iilllluussttrraatteedd iinn FFiigguurree 22 aanndd 33,, tthhee ppeerrmmeeaattee fflloowwss tthhrroouugghh tthhee mmeemmbbrraannee,, aanndd tthhee rreetteennttaattee fflloowwss

ppaarraalllleell oorr ttaannggeennttiiaall ttoo tthhee mmeemmbbrraannee aalloonngg wwiitthh ssoolliiddss aanndd iiss sswweepptt aawwaayy.. TThhee rreetteennttaattee ccaann bbee

ffuurrtthheerr ccoonncceennttrraatteedd ffoorr pprroodduucctt rreeccoovveerryy..

FFiigguurree 22 AA SSiimmpplliiffiieedd IIlllluussttrraattiioonn ooff TTaannggeennttiiaall FFllooww FFiillttrraattiioonn ((TTFFFF))

8

FFiigguurree 33 AA TTyyppiiccaall TTaannggeennttiiaall FFllooww FFiillttrraattiioonn ((TTFFFF)) UUllttrraaffiillttrraattiioonn

Cross-flow also allows the concentration of the retentate without the contamination with filter

aids. Therefore TFF can be used to collect either the permeate or the retentate as shown on

Figure 4

FFiigguurree 44 SScchheemmaattiicc ooff CCrroossss FFllooww ooff TTFFFF

9

Operational Considerations

Membrane fouling control through backwashing and solvent cleaning is illustrated in Figure 5.

Figure 5 Operational Considerations Associated With Membrane Longevity and Effectiveness

Buildup of a cake layer at the membrane surface in cross-flow filtration with suspended solids

in the feed is illustrated in Figure 6.

Figure 6 Cake Layer Buildup

10

Various feed driven configurations including spiral bound and hollow fibers can be used in TFF

based on the application as further illustrated in Figure 7.

Figure 7 Feed Driven Membrane Configurations

AA ssppiirraall wwoouunndd mmeemmbbrraannee ccoonnffiigguurraattiioonn iiss iilllluussttrraatteedd iinn FFiigguurree 88

FFiigguurree 88 SSppiirraall WWoouunndd MMeemmbbrraannee CCoonnffiigguurraattiioonn

WWaatteerr ffllooww ppaatttteerrnnss aarree ffuurrtthheerr iilllluussttrraatteedd iinn FFiigguurree 99..

11

FFiigguurree 99 WWaatteerr FFllooww PPaatttteerrnnss iinn SSppiirraall WWoouunndd MMeemmbbrraanneess

HHoollllooww ffiibbeerr mmeemmbbrraannee aarrrraannggeemmeennttss aarree iilllluussttrraatteedd iinn FFiigguurree 1100

FFiigguurree 1100 HHoollllooww FFiibbeerr MMeemmbbrraannee AArrrraannggeemmeenntt

12

AAcchhiieevviinngg QQuuaalliittyy CCoonnttrrooll iinn TTaannggeennttiiaall FFllooww FFiillttrraattiioonn

IInnlliinnee rreeaall ttiimmee pphhoottoommeetteerrss aarree aann eexxttrreemmeellyy eeffffeeccttiivvee wwaayy ooff mmoonniittoorriinngg ffiillttrraattiioonn ppeerrffoorrmmaannccee

ttoo aacchhiieevvee tthhee mmoosstt eeffffiicciieenntt aanndd ccoosstt eeffffeeccttiivvee mmeeaannss ooff ccllaarriiffyyiinngg pprroodduucctt aass iitt ppaasssseess ffrroomm

ffiillttrraattiioonn sstteepp ttoo ffiillttrraattiioonn sstteepp.. SSeennssoorrss ccaann ddeetteerrmmiinnee tthhee ppooiinntt aatt wwhhiicchh aacccceeppttaabbllee ppuurriittyy iiss

aacchhiieevveedd oorr ddeetteecctt ffiilltteerr uuppsseett oorr bbrreeaakktthhrroouugghh..

IInnlliinnee pphhoottoommeettrriicc ccoonnttrrooll gguuaarraanntteeeess tthhee ccllaarriiffiiccaattiioonn ooff ffiinnaall pprroodduucctt.. AAnnyy ddeevviiaattiioonn ccaann bbee

iinnssttaannttllyy ddeetteecctteedd,, aalllloowwiinngg pprroocceessss cchhaannggeess ttoo bbee iinniittiiaatteedd iimmmmeeddiiaatteellyy.. TThhee pphhoottoommeettrriicc ssyysstteemm

bbeeccoommeess aann uunnssuurrppaasssseedd ttooooll ffoorr qquuaalliittyy aassssuurraannccee aanndd qquuaalliittyy ccoonnttrrooll;; tthheerreebbyy,, rreedduucciinngg llaabb

aannaallyyssiiss,, vviissuuaall iinnssppeeccttiioonn aanndd iinnccrreeaassiinngg ffiilltteerr ssyysstteemm aauuttoommaattiioonn..

AAnn iilllluussttrraattiioonn ooff hhooww qquuaalliittyy ccoonnttrrooll ccaann bbee aacchhiieevveedd iinn TTFFFF AApppplliiccaattiioonnss iiss pprroovviiddeedd oonn FFiigguurree

1111..

Figure 11 Achieving Quality Control in TFF Applications

Advantages of TFF

TFF Advantages is illustrated on Figure 12.

sensor

sensor

13

Figure 12 TFF Advantages

TFF Systems

Typical TFF systems are batch and closed loop systems illustrated in Figures 13 and 14.

Figure 13 Batch (open loop) systems

Cross

Flow

Filtration

14

Figure 14 Closed Loop Feed and Bleed System

TFF Design Example Using a Biomolecule Concentration Application

Define the purpose of the TFF process:

•• TThhee bbiioommoolleeccuullee ooff iinntteerreesstt iinn yyoouurr ssaammppllee iiss ccaalllleedd aa pprroodduucctt.. SSeeppaarraattiioonn ccaann ooccccuurr bbyy

cchhoooossiinngg aa mmeemmbbrraannee tthhaatt rreettaaiinnss tthhee pprroodduucctt wwhhiillee ppaassssiinngg aannyy llooww mmoolleeccuullaarr wweeiigghhtt

ccoonnttaammiinnaannttss..

•• AAlltteerrnnaattiivveellyy,, aa mmeemmbbrraannee ccaann bbee cchhoosseenn tthhaatt ppaasssseess tthhee pprroodduucctt wwhhiillee rreettaaiinniinngg hhiigghheerr

mmoolleeccuullaarr wweeiigghhtt ccoommppoonneennttss iinn tthhee ssaammppllee..

•• IItt iiss iimmppoorrttaanntt ttoo kknnooww tthhee ccoonncceennttrraattiioonn ffaaccttoorr oorr tthhee lleevveell ooff ssaalltt rreedduuccttiioonn rreeqquuiirreedd iinn

oorrddeerr ttoo cchhoooossee tthhee mmoosstt aapppprroopprriiaattee mmeemmbbrraannee aanndd ssyysstteemm ffoorr tthhee pprroocceessss..

Choose the membrane molecular weight cutoff:

•• TThhee mmoolleeccuullaarr wweeiigghhtt ccuuttooffff ((MMWWCCOO)) ooff aa mmeemmbbrraannee iiss ddeeffiinneedd bbyy iittss aabbiilliittyy ttoo rreettaaiinn aa

ggiivveenn ppeerrcceenntt ooff aa mmoolleeccuullee iinn ssoolluuttiioonn ((ttyyppiiccaallllyy 9900%% rreetteennttiioonn)).. TToo rreettaaiinn aa pprroodduucctt,,

sseelleecctt aa mmeemmbbrraannee wwiitthh aa MMWWCCOO tthhaatt iiss 33 ttoo 66 ttiimmeess lloowweerr tthhaann tthhee mmoolleeccuullaarr wweeiigghhtt ooff

tthhee ttaarrggeett pprrootteeiinn.. FFoorr ffrraaccttiioonnaattiioonn,, sseelleecctt aa mmeemmbbrraannee MMWWCCOO tthhaatt iiss lloowweerr tthhaann tthhee

mmoolleeccuullaarr wweeiigghhtt ooff tthhee mmoolleeccuullee ttoo bbee rreettaaiinneedd bbuutt hhiigghheerr tthhaann tthhee mmoolleeccuullaarr wweeiigghhtt ooff

tthhee mmoolleeccuullee yyoouu aarree ttrryyiinngg ttoo ppaassss..

15

Determine the required membrane area for the application:

•• CChhoooossiinngg aann aapppprroopprriiaattee TTFFFF ssyysstteemm ddeeppeennddss oonn tthhee ttoottaall ssaammppllee vvoolluummee,, rreeqquuiirreedd

pprroocceessss ttiimmee,, aanndd ddeessiirreedd ffiinnaall ssaammppllee vvoolluummee..

•• UUssee tthhee ffoolllloowwiinngg eeqquuaattiioonn ttoo ccaallccuullaattee tthhee mmeemmbbrraannee aarreeaa rreeqquuiirreedd ffoorr pprroocceessssiinngg aa

ssaammppllee iinn aa ssppeecciiffiieedd ttiimmee::

AA == VV__

JJ xx TT

WWhheerree::

AA == MMeemmbbrraannee aarreeaa ((mm22))

VV == VVoolluummee ooff ffiillttrraattee ggeenneerraatteedd ((lliitteerrss))

JJ == FFiillttrraattee fflluuxx rraattee [[lliitteerrss// mm22//hhoouurr ((LLMMHH))]]

TT == PPrroocceessss ttiimmee ((hhoouurrss))

EExxaammppllee 11:: WWhhaatt TTFFFF ssyysstteemm sshhoouulldd II uussee ttoo ccoonncceennttrraattee 1100 lliitteerrss ttoo 220000 mmLL iinn 22..55 hhoouurrss??

AAssssuummee tthhee aavveerraaggee ffiillttrraattee fflluuxx rraattee ooff 5500 lliitteerrss//mm22//hhoouurr ((LL//mm22//hh,, LLMMHH))..

VV == VVoolluummee ooff ffiillttrraattee ggeenneerraatteedd ((LL)) == 1100LL –– 00..22LL ((220000 mmLL)) == 99..88 LL

AA == ______________99..88 LL____________ == 99..88 == 00..0088 mm22

5500LL// mm22//hh xx 22..55hh 112255

Transmembrane Pressure (TMP) or driving force for liquid transport through the ultrafiltration

membrane, calculated as the average pressure applied to the membrane minus any filtrate

pressure.

In most cases, pressure at filtrate port = Pfiltrate = 0

TMP = (Pfeed + Pretentate) - Pfiltrate

2

∆∆∆∆P = (30 - 20) = 10 PSI, i.e. Inlet Pressure minus Retentate Pressure

Pin Pout TMP ∆∆∆∆P Pfeed Pretentate

(1) (2) (1) + (2) (1) – (2)

2

_______________________________________________________________

40 0 20 40

30 10 20 20

25 15 20 10

16

Using the above principle a process map shown in Figure 15 can be generated from Table 4 data.

Figure 15 Process Map

Table 4 Data for Process Map

Data shown on Table 4 is generated utilizing the following procedure:

17

Typical operating pressures in TFF Applications are provided on Figure 16.

Figure 16 TFF Operating Values

18

Filter Ratings

MMiiccrrooffiillttrraattiioonn

–– RRaatteedd bbyy ppoorree ssiizzee

00..11 -- 00..6655 MMiiccrroonn

UUllttrraaffiillttrraattiioonn

–– RRaatteedd bbyy ssiizzee ooff mmoolleeccuullee rreettaaiinneedd

11,,000000 -- 11,,000000,,000000 NNMMWWLL

RReevveerrssee OOssmmoossiiss

–– RRaatteedd bbyy rreetteennttiioonn ooff mmaarrkkeerr iioonnss

NNaaCCll

MMeemmbbrraannee CChheemmiissttrryy

MMiiccrrooffiillttrraattiioonn

PPVVDDFF ((DDuurraappoorree™™))

PPoollyyeetthheerrssuullffoonnee

UUllttrraaffiillttrraattiioonn

PPoollyyeetthheerrssuullffoonnee ((BBiioommaaxx™™))

RReeggeenneerraatteedd CCeelllluulloossee ((UUllttrraacceellll™™))

RReevveerrssee OOssmmoossiiss

TThhiinn FFiillmm CCoommppoossiittee ((TTFFCC))

PPoollyyaammiiddee oonn PPoollyyssuullffoonnee

UUFF MMeemmbbrraanneess

CCoonnvveennttiioonnaall wwiitthh ssuubbssuurrffaaccee vvooiiddss

NNeeww vvooiidd--ffrreeee

ccoommppoossiittee ssttrruuccttuurree

((UUllttrraacceellll™™))

FFeeeedd WWaatteerr QQuuaalliittyy

GGuuiiddeelliinneess ffoorr aacccceeppttaabbllee ffeeeedd wwaatteerr qquuaalliittyy ttoo tthhee TTFFFF MMeemmbbrraannee aarree pprroovviiddeedd oonn TTaabbllee 55..

TTaabbllee 55 GGuuiiddeelliinneess ffoorr AAcccceeppttaabbllee FFeeeedd WWaatteerr QQuuaalliittyy

SSoouurrccee:: FFeeaassiibbiilliittyy SSttuuddyy RReeppoorrtt ttoo AAuussttrraalliiaann MMiinniissttrryy ooff WWaatteerr,, UURRSS 22001111

19

TTeexxaass DDrroouugghhtt aanndd TTFFFF

TThhee TTeexxaass ddrroouugghhtt iiss oonnggooiinngg iinn mmaannyy ppaarrttss ooff tthhee ssttaattee::

•• CCoommmmuunniittiieess ffaaccee pprroossppeecctt ooff rruunnnniinngg oouutt ooff wwaatteerr

•• BBrraacckkiisshh ggrroouunnddwwaatteerr ddeessaalliinnaattiioonn iiddeennttiiffiieedd aass oonnee vviiaabbllee ooppttiioonn tthhaatt ccaann pprroovviiddee wwaatteerr

iinn aann eemmeerrggeennccyy aanndd lloonngg tteerrmm

AA ssiimmppllee pprroocceessss sscchheemmaattiicc ooff bbrraacckkiisshh hhiigghhllyy ssaalliinnee ggrroouunnddwwaatteerr ddeessaalliinnaattiioonn iiss pprroovviiddeedd oonn

FFiigguurree 1177..

FFiigguurree 1177 SSiimmppllee PPrroocceessss SScchheemmaattiicc oonn BBrraacckkiisshh GGrroouunnddwwaatteerr DDeessaalliinnaattiioonn

PPiilloott SSttuuddyy

PPrriioorr ttoo ffuullll ssccaallee ssttuuddyy,, aa tthhoorroouugghh ppiilloott ssttuuddyy sshhoouulldd bbee uunnddeerrttaakkeenn ttoo eevvaalluuaattee tthhee TTFFFF

MMeemmbbrraannee ttrreeaattaabbiilliittyy ooff tthhee wwaasstteewwaatteerr eefffflluueenntt,, bbrraacckkiisshh ggrroouunnddwwaatteerr aanndd hhiigghh ssaalliinnee ssuurrffaaccee

wwaatteerr..

20

IIff ddeessaalliinnaattiioonn iiss tthhee ffooccuuss ooff tthhee ppiilloott ssttuuddyy,, ppeerrffoorrmmaannccee ooff tthhee mmeemmbbrraannee ffoorr tthhee ttyyppiiccaall

ddeessaalliinnaattiioonn ppaarraammeetteerrss ooff iinntteerreesstt tthhaatt mmaayy bbee eennccoouunntteerreedd iinn tthhee ssoouurrccee wwaatteerr sshhoouulldd bbee

ssttuuddiieedd.. TThheessee ppaarraammeetteerrss aarree oouuttlliinneedd oonn TTaabbllee 66..

TTaabbllee 66 DDeessaalliinnaattiioonn PPaarraammeetteerrss ooff IInntteerreesstt

TTFFFF IInndduussttrriiaall AApppplliiccaattiioonnss PPrroocceessss FFllooww DDiiaaggrraammss

IInn aaddddiittiioonn ttoo TTFFFF ffoorr bbrraacckkiisshh aanndd ssaalliinnee ssoouurrccee wwaatteerr ttrreeaattmmeenntt,, ccoommmmoonn TTFFFF AApppplliiccaattiioonnss iinn

tthhee iinndduussttrryy aarree rreepprreesseenntteedd iinn pprroocceessss ffllooww ddiiaaggrraammss pprroovviiddeedd oonn tthhee ffoolllloowwiinngg ppaaggeess.. AAllll ooff

tthheessee pprroocceessss ddiiaaggrraammss iilllluussttrraattee tthhaatt TTFFFF MMeemmbbrraannee PPrroocceesssseess wwhhiicchh iinncclluuddee MMFF,, UUFF aanndd RROO

aarree iinntteeggrraall ttoo mmuunniicciippaall aanndd iinndduussttrriiaall wwaasstteewwaatteerr rreeuussee.. IItt iiss eevviiddeenntt iinn tthhee pprroocceesssseess ddiissppllaayyeedd

tthhaatt ssttrraatteeggiicc pprreettrreeaattmmeenntt iiss iimmppoorrttaanntt ttoo pprroommoottee tthhee lloonnggeevviittyy ooff tthhee TTFFFF mmeemmbbrraanneess iinntteeggrraall

ttoo tthhee rreeuussee ttrreeaattmmeenntt sscchheemmaattiicc..

TThheessee ttyyppiiccaall pprroocceessss ddiiaaggrraammss rreepprreesseenntteedd ffoorr tthhee ppeettrroolleeuumm aanndd mmuunniicciippaall sseeccttoorrss aarree

iilllluussttrraatteedd aass FFiigguurreess 1188 tthhrroouugghh 2211..

21

FFiigguurree 1188 RReeffiinneerryy WWaasstteewwaatteerr RReeuussee ffoorr tthhee PPrroocceessss IInndduussttrryy

FFiigguurree 1199 MMaarriinnee TTeerrmmiinnaall TTFFFF WWaatteerr RReeuussee AApppplliiccaattiioonn

22

FFiigguurree 2200 EExxaammppllee TTFFFF AApppplliiccaattiioonn iinn aa MMuunniicciippaall RReessoouurrccee RReeccoovveerryy CCeenntteerr

FFiigguurree 2211 WWaatteerr PPuurriiffiiccaattiioonn TTFFFF AApppplliiccaattiioonn

23

CCoonncclluussiioonnss::

FFaaccttoorrss TToo BBee CCoonnssiiddeerreedd dduurriinngg TTFFFF SSccaalleeuupp iinncclluuddee tthhee ffoolllloowwiinngg

•• UUnnddeerrssttaannddiinngg ooff tthhee pprroocceessss oobbjjeeccttiivveess

•• PPuurriittyy,, yyiieelldd,, ttiimmeess,, vvoolluummeess,, ccoonncceennttrraattiioonnss,, eettcc..

•• SSeelleecctt CCoorrrreecctt MMeemmbbrraannee

•• SSeelleecctt CCoorrrreecctt DDeevviiccee

•• CCoolllleecctt AAddeeqquuaattee DDaattaa ttoo SSeelleecctt PPrrooppeerr OOppeerraattiinngg

•• CCoonnddiittiioonnss

•• FFlluuxx vvss.. CCrroossssffllooww

•• FFlluuxx vvss.. TTMMPP

•• FFlluuxx vvss.. CCoonncceennttrraattiioonn

•• CCoolllleecctt DDaattaa ffoorr MMuullttiippllee RRuunnss ttoo PPrroovvee RRoobbuussttnneessss

RReeffeerreenncceess

Jorge A. Arroyo et. al. (2012), “TWDB’s Integrated Approach to Brackish Groundwater

Desalination”, in The National Groundwater Association, San Antonio, TX

John E. Meyer et. al. (2011), “Brackish Resources Aquifer Characterization System”, in The

Texas Water Development Board Water Science and Conservation Innovative Water

Technologies, Austin, TX

David A. Wilcox et. al. (2006), “A Case Study for Industrial Wastewater Desalination and

Concentrate Disposal Barriers in Florida”, URS Corporation, Florida Water Resources

Journal.

Dr. Don Burnside et. al (2011), “An independent feasibility study of treating large saline reserves

east of the Darling Escarpment”, URS Corporation, Australian Ministry of Water

Drewes, J.E. and Fox, P., (2000), ―”Effect of drinking water sources on reclaimed water quality

in water reuse systems”, Water Environ. Research 72: 353-362.

Fox, P., Houston, S., Westerhoff, P., Drewes, J., Nellor, M., Yanko, W., Baird, R., Rincon, M.,

Arnold, R., Lansey, K., Bassett, R., Gerba, C., Karpiscak, M., Amy, G., and Reinhard, M.,

(2001), “An investigation of soil aquifer treatment for sustainable water reuse”, Water

Research Foundation, Denver, CO.

DeCarolis, J.F., Oppenheimer, J., Hirani, Z., and Rittmann, B., (2009), ―Investigation of MBR

effluent water quality and technology – a worldwide survey, presented at 2009 24th Annual

Water Reuse Symposium in Seattle, WA (September 13-16, 2009).

Crook, J., (2007), “Innovative applications in water reuse and desalination case studies 2”,

Water Reuse Association, Alexandria, VA.