Dissertation/ Thesis
Design a robust membrane distillation system for industrial wastewater treatment
| Τίτλος: | Design a robust membrane distillation system for industrial wastewater treatment |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Tizchang, Atefeh |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat de Girona. Departament d'Enginyeria Química, Agrària i Tecnologia Agroalimentària, University/Department: Universitat de Girona. Institut de Medi Ambient |
| Thesis Advisors: | Gernjak, Wolfgang, Abily, Morgan, Rodríguez-Roda Layret, Ignasi |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat de Girona, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 208 p. |
| Θεματικοί όροι: | Destil·lació per membrana, Destilación por membrana, Membrane distillation, Dinàmica de fluids computacional (CFD), Dinámica de fluidos computacional (CFD), Computation Fluid Dynamic (CFD), Tractament d'aigües residuals, Tratamiento de aguas residuales, Wastewater treatment, Incrustació, Incrustaciones, Fouling, Mullament, Humectación, Wetting, Impressió 3D, Impresión 3D, 3D printing, Espaciadors, Espaciadores, Spacers, Economia circular, Circular economy |
| Περιγραφή: | ENG- Circular economy initiatives, such as the EU-funded iWAYS project, emphasize the reuse of industrial waste heat, creating both opportunities and challenges for advanced treatment technologies. Membrane distillation (MD) emerges as a promising solution for treating industrial wastewater, particularly when powered by low-grade heat sources like waste heat or renewable energy. However, its large-scale application is hindered by high energy consumption and operational issues, mainly membrane fouling and wetting, problems that are intensified in the presence of surfactants. To better understand these limitations, a series of lab-pilot experiments were conducted using commercial PTFE membranes. The study examined the combined effects of salts and surfactants under varying operating conditions. Results showed that increasing feed temperature enhanced permeate flux but also accelerated membrane fouling and wetting, reducing system stability over time. Interestingly, in the absence of salt (NaCl), membrane degradation occurred more slowly, leading to more stable performance. This work highlights the complex interaction between salts and surfactants and provides valuable insights into MD reliability under realistic industrial conditions. To address another key limitation, temperature polarization, an innovative approach involving spacer integration was explored. Two types of 3D-printed net-type spacers with different geometries were designed and incorporated into a direct contact membrane distillation (DCMD) module. Experimental results demonstrated that spacers significantly improved performance, more than doubling permeate flux, maintaining high salt rejection (> 99.99%), and increasing thermal efficiency by over 20%. A validated CFD model developed in OpenFOAM further revealed that spacers enhance mixing and convective heat transfer within the membrane channel. This led to a threefold increase in the temperature polarization coefficient, indicating improved heat transfer at the membrane surface. The combined experimental and numerical analysis offers a robust framework for optimizing MD system design and operation. In the final stage, the study evaluated the treatment of real industrial wastewater from steel pipe manufacturing, which contained high surfactant concentrations. A pretreatment step using coagulation/flocculation effectively reduced turbidity to acceptable levels (< 10 NTU) for MD processing. Subsequent treatment using an MD system, both with and without spacers, achieved over 95 % surfactant removal. Although spacers introduced some localized fouling due to stagnant zones, they still enhanced overall system performance by increasing flux. Overall, the integration of pretreatment processes with spacer-enhanced MD systems demonstrates a practical and efficient strategy for treating industrial wastewater, supporting the broader goals of energy efficiency and circular economy implementation |
| Description (Translated): | CAT- Les iniciatives d’economia circular, com el projecte iWAYS finançat per la UE, promouen la reutilització de la calor residual industrial, creant oportunitats i reptes per a tecnologies avançades de tractament. La destil·lació per membranes (MD) emergeix com una solució prometedora per al tractament d’aigües residuals industrials, especialment quan s’alimenta amb fonts de calor de baixa qualitat com la calor residual o les energies renovables. No obstant això, la seva aplicació a gran escala es veu limitada per l’alt consum energètic i problemes operatius, principalment l’embrutiment (fouling) i el mullat (wetting) de les membranes, problemes que s’intensifiquen en presència de tensioactius. Per comprendre millor aquestes limitacions, es van dur a terme una sèrie d’experiments a escala pilot de laboratori utilitzant membranes comercials de PTFE. L’estudi va analitzar els efectes combinats de sals i tensioactius sota diferents condicions operatives. Els resultats van mostrar que l’augment de la temperatura d’alimentació incrementa el flux de permeat, però també accelera l’embrutiment i el mullat de la membrana, reduint l’estabilitat del sistema amb el temps. Curiosament, en absència de sal (NaCl), la degradació de la membrana es produïa més lentament, donant lloc a un rendiment més estable. Aquest treball posa de manifest la complexa interacció entre sals i tensioactius i aporta informació rellevant sobre la fiabilitat de la MD en condicions industrials reals. Per abordar una altra limitació clau, la polarització de temperatura, es va explorar una aproximació innovadora basada en la incorporació d’espaiadors. Es van dissenyar i fabricar amb impressió 3D dos tipus d’espaiadors de tipus xarxa amb geometries diferents, que es van integrar en un mòdul de destil·lació per membranes de contacte directe (DCMD). Els resultats experimentals van demostrar que els espaiadors milloren significativament el rendiment, més que duplicant el flux de permeat, mantenint una elevada rebuig de sal (> 99,99%) i incrementant l’eficiència tèrmica en més d’un 20 %. Un model CFD desenvolupat amb OpenFOAM i validat experimentalment va confirmar que els espaiadors afavoreixen la barreja i el transport convectiu dins del canal de la membrana. Això es va traduir en un augment de tres vegades del coeficient de polarització de temperatura, indicant una millora en la transferència de calor a la superfície de la membrana. L’anàlisi combinada experimental i numèrica ofereix un marc sòlid per optimitzar el disseny i l’operació dels sistemes MD. Finalment, es va avaluar el tractament d’una aigua residual industrial real procedent de la fabricació de tubs d’acer, amb alta concentració de tensioactius. Una etapa de pretractament mitjançant coagulació/floculació va reduir eficaçment la terbolesa fins a nivells adequats (< 10 NTU) per al tractament amb MD. El tractament posterior amb un sistema MD, amb i sense espaiadors, va assolir una eliminació de tensioactius superior al 95 %. Tot i que els espaiadors van provocar un cert augment de l’embrutiment en zones estancades, van millorar el rendiment global del sistema en augmentar el flux Programa de Doctorat en Ciència i Tecnologia de l'Aigua |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/698182 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.698182 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| Η περιγραφή δεν είναι διαθέσιμη |