Development of an Efficient Membrane Distillation System with Bubble Column Dehumidifier for Sustainable Water Desalination. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Kotb Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 13 May 2027. Download (12MB)

Arabic Abstract

تُعد ندرة المياه العذبة من التحديات العالمية المتزايدة التي تستدعي تطوير تقنيات تحلية مستدامة وفعّالة من حيث استهلاك الطاقة. وقد برزت تقنية التقطير الغشائي (Membrane Distillation - MD) كحل واعد نظرًا لقدرتها على العمل عند درجات حرارة منخفضة وإمكانية تشغيلها باستخدام مصادر حرارة منخفضة الجودة أو مصادر متجددة. تهدف هذه الرسالة إلى تطوير وتحليل وتحسين نظام متكامل يجمع بين التقطير الغشائي باستخدام الغاز الماسح (SGMD) وعمود إزالة الرطوبة الفقاعي (BCD) لتحسين أداء تحلية المياه .في الفصل الثاني، تم إجراء تحليل نظري وإكسرجي مفصل للنظام المتكامل SGMD-BCD. وقد تم التحقق من صحة النموذج بانحراف يقارب 7%، مما يدل على توافق جيد مع النتائج التجريبية. حقق النظام أقصى تدفق نفاذي بلغ 143 كجم/م²·ساعة، ونسبة إنتاج (GOR) قدرها 0.42، واستهلاك طاقة نوعي (SEC) يبلغ 1738 كيلوواط·ساعة/م³ عند درجة حرارة تغذية 90°C وضغط نفاذ 200 ملي بار. كما بلغت كفاءة عمود إزالة الرطوبة 0.95–0.98، بينما أظهر تحليل الإكسرجي أن وحدة SGMD تسهم في فقد الإكسرجي بمعدل يزيد 18–20 مرة مقارنة بوحدة .BCD.في الفصل الثالث، تم تطبيق تقنيات تحسين أحادية ومتعددة الأهداف. وقد حقق النظام المحسن تدفقًا أقصى قدره 154.21 كجم/م²·ساعة، وأدنى استهلاك طاقة نوعي 803.48 كيلوواط·ساعة/م³، وأعلى قيمة GOR بلغت 0.948. كما أسفرت عملية التحسين متعددة الأهداف عن حل توازني أمثل بتدفق 71 كجم/م²·ساعة واستهلاك طاقة 925 كيلوواط·ساعة/م³. وحقق النظام المقترح باستخدام مرحلتين من BCD زيادة في الإنتاجية بنسبة 12.08% وخفضًا في استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 51% مقارنة بالأنظمة التقليدية . في الفصل الرابع، أظهرت الدراسة التجريبية أن رفع درجة حرارة التغذية من 50°C إلى 80°C يؤدي إلى زيادة التدفق بنسبة 338% وتقليل استهلاك الطاقة بنسبة 70% كما أدى زيادة معدل تدفق التغذية إلى تحسين الإنتاجية بنسبة 40%، بينما ساهم خفض ضغط النفاذ من 650 إلى 400 ملي بار في مضاعفة GOR وتقليل استهلاك الطاقة بنسبة 48% بالإضافة إلى ذلك، ساهم عمود إزالة الرطوبة في خفض درجة حرارة الهواء بمقدار 28°C دون استهلاك طاقة إضافية .في الفصل الخامس، تم تحليل نظام تقطير غشائي مفرغ مطور باستخدام قاذف هوائي، حيث أظهرت النتائج تحسنًا في كفاءة النظام وانخفاضًا في استهلاك الطاقة مقارنة بالأنظمة التقليدية، مع زيادة التدفق عند الضغوط المنخفضة وتحسن الأداء الاقتصادي .في الفصل السادس، تم تطوير وتحسين نظام تقطير غشائي مفرغ باستخدام قاذف مائي، حيث أظهر النظام المقترح استقرارًا أفضل وانخفاضًا في استهلاك القدرة مقارنة بمضخات التفريغ التقليدية، مما أدى إلى تقليل التكاليف التشغيلية وتحسين الأداء الحراري .في الفصل السابع، تم تقديم نظام تقطير غشائي متعدد المراحل يعمل بالطاقة الريحية، حيث أظهر النظام إمكانية تطبيقه في المناطق النائية، مع تحسين كفاءة الطاقة وخفض تكلفة إنتاج المياه في ظروف الرياح المعتدلة في المملكة العربية السعودية .بشكل عام، تُظهر هذه الدراسة أن دمج تقنية SGMD مع عمود إزالة الرطوبة BCD، إلى جانب تقنيات التحسين المتقدمة ودمج مصادر الطاقة المتجددة، يؤدي إلى تحسين كبير في أداء أنظمة التحلية. حيث تحقق الأنظمة المقترحة إنتاجية أعلى، واستهلاكًا أقل للطاقة، وتكلفة إنتاج منخفضة، مما يجعلها حلولًا واعدة لتطبيقات التحلية المستدامة وعلى نطاق واسع.

English Abstract

Freshwater scarcity is a critical global challenge that requires the development of sustainable and energy-efficient desalination technologies. Membrane distillation (MD) has emerged as a promising desalination technique due to its ability to operate at low temperatures and utilize low-grade or renewable energy sources. However, its performance is often limited by inefficient condensation, and high specific energy consumption. This study presents the development and comprehensive evaluation of an integrated Sweeping Gas Membrane Distillation (SGMD) system coupled with a Bubble Column Dehumidifier (BCD) to enhance condensation efficiency and reduce energy consumption. A detailed thermodynamic and heat–mass transfer model was developed and validated experimentally, showing good agreement with measured data. The system achieved permeate fluxes up to 143 kg/m²·h, with BCD effectiveness reaching 0.95–0.98, confirming its capability as an efficient low-energy condensation unit. To further improve system performance, advanced optimization techniques, including Differential Evolution (DE) and Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II), were applied to identify optimal operating conditions. The optimized system demonstrated significant performance improvements, achieving a maximum flux of 154.21 kg/m²·h and reducing specific energy consumption (SEC) to 803.48 kWh/m³, while revealing the trade-off between productivity and energy efficiency. System enhancement was achieved through the introduction of a multi-stage BCD configuration, which improved condensation and reduced energy consumption by more than 50% compared to conventional systems. Experimental validation confirmed the strong influence of operating parameters, particularly feed temperature and pressure, with flux improvements exceeding 300% and significant reductions in energy consumption. Further performance improvements were obtained by integrating vacuum-assisted configurations using air and water ejectors, which enhanced vapor transport and reduced auxiliary power consumption. In addition, the integration of wind energy demonstrated the feasibility of operating the system under renewable energy conditions, enabling substantial reductions in electrical energy demand and supporting decentralized water production. Overall, this work demonstrates that improving condensation efficiency through BCD integration, combined with advanced optimization and renewable energy utilization, significantly enhances MD system performance. The proposed system achieves higher productivity, lower energy consumption, and reduced water production cost, providing a viable pathway toward sustainable and scalable desalination solutions.