Evaluation of membrane characteristics and thermal polarization in membrane distillation

par Aamer Ali

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Enrico Drioli et de Pierre Aimar.

  • Titre traduit

    Evaluation de la polarisation thermique et des caractéristiques des membranes pour la distillation membranaire


  • Résumé

    Le présent travail de thèse met l'accent sur divers aspects de la distillation membranaire dans l'objectif de concevoir des procédés de dessalement proches du " zéro effluent liquide ". De manière générale, deux sujets sont discutés en détail: (i) la corrélation entre les caractéristiques de la membrane et les performances du procédé de distillation membranaire (ii) la compréhension et le contrôle de la polarisation thermique en DM. L'analyse de l'état de l'art en distillation membranaire porte notamment sur les progrès dans le développement des membranes, dans la compréhension des phénomènes de transport, les récents développements dans la conception des modules et le colmatage. Des phénomènes annexes et les applications innovantes sont également discutés dans la partie introductive de la thèse. L'effet des conditions de fabrication et de la composition des collodions sur les caractéristiques des membranes et la corrélation entre ces dernières et leurs performances a été discuté dans la section suivante. Il est établi que la morphologie de la membrane joue un rôle crucial dans ses performances pour des applications sur des fluides réels. En outre, on met en évidence que l'impact de la morphologie de la membrane est différente selon que la procédé fonctionne avec une phase liquide froide du côté distillat (Direct Contact Membrane Distillation - DCMD)) ou avec un courant d'air sec ou le vide (Air Gap ou Vacuum Membrane Distillation). Dans une deuxième partie, les aspects théoriques et expérimentaux de la polarisation thermique en distillation membranaire (DCMD) ont également été étudiés. Les phénomènes de polarisation thermique sur une membrane plane ont été étudiés en utilisant une cellule spécialement conçue. L'effet des conditions de fonctionnement et de la concentration de la solution sur la polarisation thermique a été étudié expérimentalement. Nous avons observé que l'augmentation de concentration de la solution favorise la polarisation thermique à cause d'une détérioration de l'hydrodynamique résultante à la surface de la membrane. Certaines techniques actives et passives pour réduire la polarisation thermique et le colmatage en distillation membranaire ont également été examinées dans l'étude cette étude. Nous avons montré que la polarisation thermique peut être considérablement réduite en générant des écoulements secondaires dans le fluide circulant à l'intérieur du canal d'alimentation, donc à l'intérieur de la fibre creuse si c'est cette configuration qui est retenue. Dans la présente étude, l'induction d'un écoulement secondaire a été réalisée en utilisant les fibres torsadées en hélice et une configuration ondulée. En raison de l'amélioration du niveau de polarisation thermique du côté de l'alimentation et du distillat, les géométries de fibres ondulées fournissent des flux et des taux de rendement supérieurs à ceux des autres configurations. La mise en œuvre d'un écoulement pulsé et intermittent pour contrôler la polarisation en distillation membranaire a également été examinée. Notre étude permet de conclure que ces types d'écoulements ont un impact positif sur les taux de rendement et le facteur d'amélioration volumique (gain en flux ramené par rapport à l'augmentation du volume de l'équipement) sans compromis sur le taux de remplissage des carters de fibres creuses.


  • Résumé

    The current PhD work emphasizes on various aspects of membrane distillation for approaching zero liquid discharge in seawater desalination. In broader sense, two themes have been discussed in detail: (i) correlation between membrane features and their performance in MD (ii) understanding and control of thermal polarization in MD. Introduction and state-of-the-art studies of MD including progress in membrane development, understanding the transport phenomenon, recent developments in module fabrication, fouling and related phenomenon and innovative applications have been discussed in introductory part of the thesis. The effect of operating conditions and dope compositions on membrane characteristics and correlation between membrane features and their performance has been discussed in subsequent section. It has been established that membrane morphology plays a crucial role in performance of the membrane for real applications. Furthermore, it has been demonstrated that the effect of membrane morphology is different for direct contact and vacuum configurations. Theoretical and experimental aspects of thermal polarization in direct contact membrane distillation have also been investigated. Thermal polarization phenomenon in a flat sheet membrane has been studied by using a specifically designed cell. The effect of operating conditions and solution concentration on thermal polarization has been explored experimentally. It has been observed that increased solution concentration favors the thermal polarization due to resulting poor hydrodynamic at the membrane surface and increase in diffusion resistance to the water vapors migrating from bulk feed phase to the membrane surface. Some active and passive techniques to decrease thermal polarization and possible fouling in membrane distillation have also been discussed in the current study. Thermal polarization can be greatly reduced by inducing secondary flows in the fluid flowing inside the fiber. The induction of secondary flows in the current study has been realized by using the fibers twisted in helical and wavy configurations. Due to improvement of thermal polarization coefficient on up and downstream, the undulating fiber geometries provide high flux and superior performance ratio. Application of intermittent and pulsatile flow to control thermal polarization in MD has also been discussed. It has been inferred that these flows have positive impact on performance ratio and volume based enhancement factors without compromising on packing density of the system. The application of MD for treatment of produced water has also been studied.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2015 par Université Paul Sabatier, Toulouse 3 [diffusion/distribution] à Toulouse

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  • Sous le titre : Evaluation of membrane characteristics and thermal polarization in membrane distillation
  • Détails : 1 vol. (166 p.)
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