Membrane Distillation for Water Desalination - Theoretical and Experimental Investigations

Membrane Distillation for Water Desalination - Theoretical and Experimental Investigations. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
PhD Dissertation-Suhaib Ahmed-g201402740.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 9 August 2022.

Download (6MB)

Arabic Abstract

من المتوقع أن تكون ندرة مياه الشرب أكبر مشكلة في العالم بسبب زيادة الأنشطة الصناعية والنمو السكاني. بالإضافة إلى أن شوائب الموارد المائية من المخلفات الصناعية قد ضاعف المشكلة. من أجل حل هذه المشكلة، يتم استخدام تقنيات تحلية مختلفة. التقطير الغشائي هو أحد التقنيات الواعدة التي تستخدم لتحلية المياه وتطبيقات معالجة المياه. في عملية التقطير الغشائي يتم فصل الاملاح عن طريق تسخين مياه البحر إلى درجة حرارة معينة بين 40 إلى 90 درجة مئوية بمساعدة غشاء يسمح بمرور بخار الماء ويمنع مرور الماء. القوة الدافعة في عملية التقطير الغشائي هي الاختلاف في ضغط البخار المرتبط بفرق درجة الحرارة بين تيارات التغذية و التبريد. في العمل المقترح ، تم تقديم نموذج نظري مفصل لعملية التقطير الغشائي في وحدة فجوة الماء لكل من الأنظمة أحادية ومتعددة المراحل. يستخدم النموذج للتنبؤ بإنتاجية النظام من خلال تحليل انتقال الحرارة والكتلة وتوازن الطاقة في الحالة المستقرة من خلال طبقات الغشاء والوحدة. للتنبؤ الدقيق بالإنتاجية وأداء الطاقة، تمت دراسة الحمل الحراري الطبيعي داخل فجوة المياه. بالإضافة إلى ذلك، تمت دراسة جميع ظروف التصميم والتشغيل التي قد تؤثر على أداء النظام نظريًا باستخدام طريقة التطور التفاضلي. علاوة على ذلك، تم دمج نموذج عملية التقطير الغشائي لفجوة المياه متعددة المراحل بمجمع شمسي لتقييم التشغيل الديناميكي للنظام. استنادًا إلى النماذج النظرية، تم تصميم وتصنيع واختبار نظام جديد مدمج متعدد المراحل يمكن استخدامه مع تكوينات فجوة الهواء والماء في نفس الوقت.. أخيرًا ، تم دمج النظام المدمج متعدد المراحل مع مجمّع شمسي يستخدم لتسخين مياه البحر المغذية وذلك لتقليل الطاقة المستهلكة لعملية التسخين. كشفت نتائج النموذج النظري أن تاثير الحمل الحراري الطبيعي داخل فجوة الماء أمر بالغ الأهمية، باستثناء بعض الحالات عندما يكون عرض الفجوة أقل من 1 مم، حيث يمكن افتراض انتقال الحرارة بالتوصيل داخل الفجوة. وجد ان هناك تطابقًا جيدًا مع النتائج المعملية لوحدة فجوة المياه قيد الدراسة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على حوالي 60٪ زيادة في قيمة أعلى انتاجية عند استخدام طريقة التطور التفاضلي، بينما انخفضت قيم كل من استهلاك الطاقة وتكلفة الإنتاج بنسبة 31٪ و 38٪ على التوالي عند تطبيق طريقة التطور التفاضلي. بالنسبة لنموذج الفجوة المائية متعدد المراحل، فقد وجد أنه في ظل ظروف درجة حرارة سائل التبريد 20 درجة مئوية ، ودرجة حرارة التغذية 50-90 درجة مئوية ، ومعدلات التغذية وتدفق سائل التبريد 2.3 لتر/ دقيقة ، وسماكة الفجوة 4 مم؛ الحد الأقصى لعدد المراحل التي يمكن توصيلها على التوالي هو 35 مرحلة قبل أن تنخفض الإنتاجية إلى الصفر تقريبًا. في هذه الحالة يبلغ إجمالي إنتاجية النظام حوالي 5.2 لتر/ ساعة. وجد أيضًا أنه من خلال عزل وصلات الأنابيب والوحدة تزداد الإنتاجية الإجمالية بنسبة 36٪. وجد ايضا ان العدد الأمثل للمراحل التي تعطي الحد الأدنى لتكلفة الإنتاج هو 15 مرحلة، حيث تصل تكلفة إنتاج المياه العذبة للنظام متعدد المراحل المعزول حوالي 3 دولار/ متر مكعب. اخيرا تمت ملاحظة انه من خلال دمج وحدة الفجوة المائية متعددة المراحل مع النظام الشمسي يمكن تقليل الحد الأدنى لتكلفة إنتاج المياه العذبة لـ 15 مرحلة بحوالي 34٪. تشير نتائج الجزء العملي إلى أن عملية فجوة الماء تنتج مياه عذبة أكثر من فجوة الهواء تحت نفس ظروف التشغيل. ومع ذلك فإن نظام فجوة الهواء هو الأفضل من حيث استهلاك الطاقة.

English Abstract

Scarcity of drinking water is predictable to be the biggest problem of the world due to the increase of industrial activities and population growth. In addition, impurity of water resources by industrial wastes has magnified the problem. In order to solve water scarcity problem, different desalination technologies are employed. Membrane distillation (MD) is one of the promising technologies that is used for water desalination and water treatment applications. In the MD process the slat separation takes place by heating the seawater to a certain temperature (between 40 to 90oC) with the help of hydrophobic membrane which allows the water vapor to pass but not the water. The driving force in the MD process is the difference in the vapor pressure associated with the temperature difference between the feed and coolant streams. In the proposed work, a detailed theoretical model of membrane distillation (MD) process in water gap module is presented for both single and multistage systems. The model is used to predict the system productivity through the analysis of the coupled heat and mass transfer and steady-state energy balance through membrane and module layers. For accurate prediction of productivity and energy performance, natural convection inside the water gap is studied. Effects of membrane support is included in the model to account for different areas of heat and mass transfers. In addition, all the design and operating conditions that may affect the performance of the system are theoretically optimized using differential evolution (DE) optimization method. Moreover, the model of the multistage water gap MD process is coupled with an evacuated tube solar collector to evaluate the dynamic operation of the integrated system. Based on the theoretical models, a new compact multistage MD system is designed, fabricated and tested with air and water gap configurations. Finally, the compact multistage system is integrated with a solar collector which is utilized to heat up the feed seawater and reduce the energy consumed for heating process. The results of the theoretical model reveal that considering the natural convection inside the water gap is critical, except for gap widths less than 1 mm, where one can assume pure conduction inside the gap. The new correlation provided very good match to experimental results for the water gap module under study. In addition, about 60% increase in the value of the highest permeate flux is obtained from the optimization model compared with the theoretical model of the single stage water gap MD process without applying the optimization, while the lowest values of both energy consumption and production cost are reduced by about 31% and 38%, respectively, when the optimization is applied. For the multi-objective optimization, the optimized permeate flux is 51% higher than the maximum flux obtained from the MD model without optimization, and the optimized value of specific energy consumption as low as 876 kWh/m3. For the multistage water gap MD model, it is found that under the conditions of 20oC coolant temperature, 50-90oC feed temperature, 2.3 L/min feed and coolant flow rates, 4 mm gap thickness; the maximum number of stages that can be connected in series is 35 stages before the productivity drops to almost zero. In this case, the total system productivity is about 5.2 L/h. It is also found that by insulating pipe connections and the MD module, the total productivity increases by 36%. The optimum number of stages that gives the minimum production cost is 15 stages, and the corresponding cost of freshwater production of the insulated multistage system is about 3 $/m3. By integrating the multistage water gap MD unit with the solar system, the minimum freshwater production cost for 15 stages is reduced by about 34%. The results of the experimental part indicate that the water gap process produces more freshwater than the air gap under the same operating conditions. However, the air gap system is the better in terms of energy consumption with higher gained output ratio.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Khalifa, Atia
Committee Members: Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and Al-Sulaiman, Fahad A. and Said, Syed A. M and Abido, M. A.
Depositing User: SUHAIB AHMED (g201402740)
Date Deposited: 18 Aug 2021 07:35
Last Modified: 18 Aug 2021 07:35
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141937