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Thèse de doctorat

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Titre

Evaluation of membrane characteristics and thermal polarization in membrane distillation

Auteur

Ali, Aamer

Directeur de thèse

Aimar, Pierre

Drioli, Enrico

Bouzek, Karel

Date de soutenance

2015-03-30

Établissement de soutenance

Université de Toulouse

Université Toulouse III - Paul Sabatier

École doctorale

Mécanique, énergétique, génie civil, procédés (MEGeP)

Structure de recherche

Laboratoire de Génie Chimique (LGC), UMR 5503

Discipline

Génie des procédés et de l'Environnement

Sujet

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés en français

Distillation membranaire

Polarisation thermique

Membranes

Phénomène de transport

Désaliénation

Résumé en français

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. L'application de la distillation membranaire pour le traitement de l'eau de procédés a également été étudiée. L'effet des caractéristiques de la membrane sur les performances en traitement de ce type de solution complexe a été examiné. Les caractéristiques idéales de la membrane pour une application à un tel traitement ont été définies. Nous avons pu montrer que la distillation membranaire possède la capacité de produire un distillat d'excellente qualité et est un procédé intéressant pour récupérer les sels minéraux présents dans les eaux de production. Le lien entre le colmatage et les différentes caractéristiques des membranes a également été examiné dans cette étude en fonction des types de solution traitées. Il a été montré que l'augmentation de la porosité par la présence de macrovides produits lors au cours de procédé de fabrication par inversion de phase induite par l'introduction d'un non-solvant crée des difficultés liées au mouillage des pores et la formation de dépôts calcaires lors de l'application de ces membranes à des fluides réels. On montre également que les problèmes de colmatage sont moins sévères dans les membranes dotées d'une microstructure spongieuse mais la porosité globale de ces membranes est relativement plus faible que dans le cas précédent, ce qui limite le transfert de matière. Ainsi, nous concluons qu'il existe un optimum entre un flux de transfert élevé et une performance stable des membranes synthétisées par la technique d'inversion de phase. Les conclusions de l'ensemble de l'étude et des perspectives sont discutées dans la dernière partie de ce mémoire.

Résumé en anglais

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. The effect of membrane features on their performance for the treatment of this complex solution has been discussed. The desirable membrane features for successful application of MD for such treatment have been distinguished. It has been inferred that MD possesses the capability to produce a distillate of excellent quality and is an interesting candidate to recover the minerals present in the produced water. The fouling tendency of the membranes with different characteristics towards different types of feed solutions has also been discussed in this study. It has been shown that the porosity enhanced through the introduction of macrovoids in non-solvent induced phase separation technique creates problems related with wetting and pore scaling during practical application of such membranes. The fouling related issues are less severe in the membranes with sponge like microstructure but the overall porosity of such membranes is relatively less. Thus it has been concluded that there should be an optimum between the high throughput and stable performance of the membranes synthesized through phase inversion techniques. Conclusions of the study and future perspectives have been discussed in the last section of the study.

Numéro national de thèse

2015TOU30359

Date de publication

2017-01-31T16:39:24