ENHANCING MEMBRANE DISTILLATION PERFORMANCE: ADVANCED SOLUTIONS FOR ANTISCALING AND HIGH-EFFICIENCY DESALINATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis- ecopy.pdf Restricted to Repository staff only until 8 July 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

9 تُطوِّر هذه الأطروحة تقنية التقطير الغشائي (MD) من خلال ابتكارين متضافرين يعالجان بشكل جماعي تحديات حاسمة تتعلق بتبليل الأغشية، والتلبد، وعدم كفاءة الطاقة. أولاً، أدى تطوير أغشية مركبة فائقة الكراهية للماء عبر طلاء الرذاذ الكهربائي لألواح نانوية من التيتانيوم (TiNS) وبوليمر فلوريد فينيليدين-هيكسافلوروبوبيلين (PVDF-HFP) إلى تعزيز متانة الأغشية بشكل ملحوظ. حقق متغير TiNS-PH-5 (بنسبة 5% وزناً من TiNS) خصائص فائقة في مقاومة التبليل، بزاوية تماس للماء تبلغ 150.23 درجة، وضغط دخول للسائل قدره 1.7 بار، ورفض شبه مثالي للأملاح (99.9993%) في ظل ظروف شديدة الملوحة (70,000 جزء في المليون من كلوريد الصوديوم). عملت بنيته الهرمية الدقيقة النانوية ووظيفية هيكساديسيل ثلاثي ميثوكسيسيلان (HDTMS) على تقليل الترسيب والتماس بين السائل والصلب، على الرغم من أن انخفاض المسامية (71%) أدى إلى تدفق معتدل قدره 18.40 كجم م⁻² ساعة⁻¹، مما يؤكد المفاضلة بين الانتقائية والنفاذية. 10 واستكمالاً لهذا الابتكار المادي، أدى دمج حقن فقاعات الهواء في تيار التغذية لنظام التقطير الغشائي بالتلامس المباشر (DCMD) إلى تحسين كفاءة العملية بشكل ملحوظ. من خلال تحريك تيار التغذية، قلل حقن الهواء من استقطاب درجة الحرارة، واستقطاب التركيز، وسُمك الطبقة الحدودية الحرارية، مما عزز الاضطراب. أدى هذا التعديل إلى زيادة تدفق المكثفات بنسبة 18%، وخفض استهلاك الطاقة الحرارية المحدد (STEC) بنسبة 7%، وتحسين نسبة الإنتاج المكتسب (GOR) بنسبة 7%، محققًا ذروة تدفق قدرها 40.32 كجم/م² ساعة. أظهر التشغيل طويل الأمد (17 ساعة) باستخدام تغذية عالية الملوحة (48,000 مجم/لتر) مرونة النظام: فقد شهدت الوحدة المحقونة بالهواء انخفاضًا في التدفق بنسبة 7% فقط، مقارنة بانخفاض قدره 19% في نظام DCMD التقليدي، مما يسلط الضوء على مقاومته الفائقة للتلبد ومتانته. 11 يثبت هذين الابتكارين – الأغشية فائقة الكراهية للماء والاضطراب المدعوم بفقاعات الهواء – تحويليًا بالنسبة لتقنية التقطير الغشائي. فبينما يضمن غشاء TiNS-PH-5 إنتاجًا عالي النقاوة ومقاومة للترسيب، يعمل نظام حقن الهواء على تحسين كفاءة الطاقة واستقرار التدفق. وهما معًا قد يحققان توازنًا بين الانتقائية والمتانة والإنتاجية، مما يعالج القيود طويلة الأمد لتقنية التقطير الغشائي. تضع هذه التطورات تقنية التقطير الغشائي كحل قابل للتطبيق لتحلية المياه ومعالجة مياه الصرف في البيئات التي تعاني من قيود في الطاقة والموارد. يجب أن تركز الأعمال المستقبلية على التوفيق بين المفاضلات بين المسامية والكراهية للماء في تصميم الأغشية وتوسيع نطاق أنظمة حقن الهواء للتطبيق الصناعي، مما يسد الفجوة في نهاية المطاف بين الاختراقات على نطاق المختبر وتحديات ندرة المياه في العالم الحقيقي.

English Abstract

This thesis advances membrane distillation (MD) technology through two synergistic innovations that collectively address critical challenges of membrane wetting, fouling, and energy inefficiency. First, the development of superhydrophobic composite membranes via electrospray coating of 2D titanium dioxide nanosheets (TiNS) and PVDF-HFP significantly enhanced membrane robustness. The TiNS-PH-5 variant (5 wt% TiNS) achieved exceptional anti-wetting properties, with a water contact angle of 150.23°, a liquid entry pressure of 1.7 bar, and near-perfect salt rejection (99.9993%) under hypersaline conditions (70,000 ppm NaCl). Its hierarchical micro-nano structure and hexadecyltrimethoxysilane (HDTMS) functionalization minimized scaling and liquid-solid contact, though reduced porosity (71%) resulted in a moderate flux of 18.40 kg m-2 hr-1, underscoring the trade-off between selectivity and permeability, in fouling tests with a hypersaline feed of 70 g/L, 20 mM sodium carbonate, and 20 mM magnesium chloride. Complementing this material innovation, the integration of air bubble injection into the feed stream of a direct contact MD (DCMD) system markedly improved process efficiency. By agitating the feed stream, air injection reduced temperature polarization, concentration polarization, and thermal boundary layer thickness, enhancing turbulence. This modification boosted condensate flux by 18%, reduced specific thermal energy consumption (STEC) by 7%, and improved the gained output ratio (GOR) by 7%, achieving a peak flux of 40.32 kg/m²h. Long-term operation (17 hours) with high-salinity feed (48,000 mg/L) demonstrated the system’s resilience: the air-injected unit experienced only a 7% flux decline, compared to a 19% drop in conventional DCMD, highlighting its superior fouling resistance and durability. The synergy of these innovations, superhydrophobic membranes and air bubble-assisted turbulence, proves transformative for MD. While the TiNS-PH-5 membrane ensures high-purity output and scaling resistance, the air injection system optimizes energy efficiency and flux stability. Together, they balance selectivity, durability, and productivity, addressing the longstanding limitations of MD. These advancements position MD as a viable solution for desalination and wastewater treatment in energy- and resource-constrained settings. Future work should focus on reconciling porosity-hydrophobicity trade-offs in membrane design and scaling air injection systems for industrial deployment, ultimately bridging the gap between lab-scale breakthroughs and real-world water scarcity challenges.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Research > Engineering Research > General
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Fallatah, Wael Sulaiman
Committee Members:	AlZahrani, Atif Saeed and Lawal, Dahiru Umar
Depositing User:	MUAZ ABDALLAH (g202216040)
Date Deposited:	08 Jul 2025 10:31
Last Modified:	08 Jul 2025 10:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143609