Fabrication of Porous and Hydrophobic Membranes for Kuwait Seawater Desalination by Membrane Distillation

تعد تقنيات التقطير الفجائي متعدد المراحل والتناضح العكسي من تقنيات تحلية مياه البحر التي تعمل حاليًا على إنتاج المياه العذبة في الكويت، ومتطلبات الطاقة لهذه التقنيات هي من 3-4 و24 كيلو واط ساعة لكل متر مكعب، على التوالي. يتم توفير الطلب على الطاقة من محطات تحلية المياه من خلال حرق الوقود الأحفوري، والتي تقدر تكلفته بنحو ثلث الناتج المحلي الإجمالي بحلول عام 2025، ما لم يتم تطوير تقنيات لتحلية المياه ذات تكلفة منخفضة. يعتبر التقطير الغشائي تقنية موفرة للطاقة يمكن استخدامها إما مستقلة أو كعملية متكاملة نحو تقليل الطلب على الطاقة وتكلفة المياه العذبة في تطبيقات تحلية المياه. يمكن تشغيل التقطير الغشائي باستخدام مصادر حرارة منخفضة تعمل بالطاقة الشمسية والحرارة الأرضية والطاقة الحرارية المبددة. يتضمن نظام التقطير الغشائي نقل البخار من خلال مسام الغشاء المسامي الطاردة للماء الناتج عن التدرج في ضغط البخار عبر الغشاء. ومع ذلك، فإن أغشية التقطير الغشائي المتاحة تجارياً ليست مناسبة لهذا التطبيق، حيث إنها مصممة بشكل عام للترشيح الفائق، كما ان تطبيقات الترشيح الدقيق تعاني من قلة النفاذية ورطوبة مائية منخفضة وزيادة في جاذبيتها للمياه وحدوث الانسدادات. لذلك، فإن تطوير أغشية تقطير غشائي فعالة يمثل تحديًا للعلماء في جميع أنحاء العالم.تم تنفيذ هذا المشروع بهدف تصنيع أغشية للتقطير الغشائي ذات خصائص فريدة لتحلية مياه البحر. وأظهرت النتائج التجريبية أن بعض هذه الأغشية وفرت أداء أعلى، من حيث مقاومتها للانسدادات والترطيب مقارنة بالأغشية المتاحة تجاريا. ان أغشية التقطير الغشائي (M9) و (M24) و (M33) القائمة على البولي فينيل الفلورايد وجميع أغشية البولي بروبلين المطلية بالجسيمات النانوية حققت تدفقا للمياه يزيد عن 40 لتر لكل متر مربع ساعة وأكثر من 99% من طرد الأملاح خلال تحلية فعلية لمياه البحر. يعتبر تدفق المياه ونسبة طرد الأملاح المقدم من الأغشية المذكورة أعلاه، أعلى بكثير من أغشية التقطير الغشائي التجارية. وغطى هذا المشروع أيضا الوصف التفصيلي لأغشية التقطير الغشائي ذات الكفاءة العالية. وبالنظر إلى كفاءة الجسيمات النانوية المعالجة بالفلور لتحسين أداء أغشية التقطير الغشائي الموضح في هذا المشروع، يوصى بإجراء تحضير إضافي واسع النطاق للجسيمات النانوية وأغشيتها واختبارات الموثوقية طويلة المدى.

Multi-Stage Flash (MSF) Distillation and Reverse Osmosis (RO) are seawater desalination technologies currently serving Kuwait’s freshwater production; these technologies have energy requirements of 3-4 and 24 kWh/m3, respectively. The energy demand by desalination plants is supplied through burning fossil fuels, its cost, estimated to be about third of the gross domestic product by 2025, unless low-cost desalination technologies are developed. Membrane Distillation (MD) is an energy-efficient technology that can be used either as standalone or as an integrated process toward reducing energy demand and freshwater cost in desalination applications. MD can be operated using solar, geothermal, and waste- heat low-grade heat sources. The MD system involves vapor transport through the pores of hydrophobic microporous membrane driven by vapor pressure gradient across the membrane. However, commercially available MD membranes are not suitable for this application, as they are generally designed for ultrafiltration, and microfiltration applications suffer from low porosity, low hydrophobicity, high wetting, and fouling. Therefore, developing efficient MD membranes is a challenge to worldwide scientists. The main aim of this project was fabricating MD membranes with unique characteristics for seawater desalination. Experimental results showed that some of these membranes were providing higher performance, in terms of anti-fouling and anti-wetting, compared to the commercially available membranes. The PVDF-based M9, M24, and M33 membranes and all the nanoparticle coated PP membranes attained water flux of > 40.0 LMH with >99% of salt rejection during real seawater desalination. The water flux and salt rejection offered by the aforementioned membranes was much higher than the commercial MD membranes. This project also covered the detailed characterization of high-performance MD membranes. Considering the competency of fluorinated nanoparticles toward the enhanced MD performance shown in this project, a further large-scale synthesis of the nanoparticles, its membranes, and long-term reliability tests are recommended.