Opportunities for Membrane Distillation

Stephen Gray Institute for Sustainability and Innovation

College of Engineering and ScienceVictoria University

stephen.gray@vu.edu.auDesalTech, San Diego, 28th August, 2015

How does membrane distillation compete with reverse osmosis?

• Low energy?– RO ‐ 1 ‐ 4 kW.h/m3

– MD ‐ >200 kW.h/m3

– MDs energy is mostly thermal energy

– Can we get thermal energy from otherwise wasted sources and minimise the electrical energy?

Zhang et al, Desalination, 232 (2013) 142‐149

Need applications with a heat source!

Conventional Distillation & energy HX recovery 

Membrane Distillation @ VU

• Modelling of MD

• Applications– RO Brine (ZLD)

• GWMWater/WQRA• NCEDA/Siemens/CSIRO/Osmoflo• CSG ‐ NCEDA/Uni Wollongong/Osmoflo/AGL

– Industrial Water• Power Station (Smart Water/WQRA/CWW/GWMWater)• Textiles (Australian Textile Mills, AusIndustry)• Dairy streams

– Product Recovery• Acid recovery for minerals industry• Ammonia Recovery

Camacho et al., Water, 5 (2013) 94‐196

Factors affecting DCMD flux and Energy Efficiency

Counter flow Co‐flow

Hot Flow

Cold Flow

THi

THO

TCi

TCO

Hot Flow

Cold Flow

THi

TCi

THO

TCO

QH QH

QCQC

Membrane Length

Membrane Properties

Mass & Energy BalanceMass TransferKnudsen‐molecular diffusion transition mechanism (water vapour pressure in pores low => ӿA = PA/P)

Membrane mass transfer characteristicsf(porosity, tortuosities, thickness)

Driving force across membrane = f(temp, pressure)

Resistance in pore = f(pressure and partial pressure in pore)

Zhang et al., Journal of Membrane Science, 349, (2010) pp 295‐303Zhang et al., Journal of Membrane Science, 369,  (2011) 514‐525Zhang et al., Journal of Membrane Science, 387‐388 (2012), 7‐16Zhang et al., Journal of Membrane Science, 442 (2013), 31‐38

Energy Balance

Function of local Nu number (ie. Nu changes with position along membrane as temp changes)Welty, Wicks Wilson and Rorrer (1984)Phattaranawik et al, JMS, 187 (2001) 193‐201

Vapour transport

Membrane characteristicλmembrane = λair.ε+ λsolid(1‐ε) 

MD Models• Model needs to predict performance for each application making use of the heat available (compressibility)

• Direct Contact Membrane Distillation

• Air Gap Membrane Distillation

• Hollow Fibre Vacuum Membrane Distillation

Ahmad et al., AMTA Membrane Technology Conference, February 25‐28, 2013, San Antonio, TxAlsaadi et al., Journal of Membrane Science, 445 (2013) 53‐65

Zhang et al., Journal of Membrane Science, 434 (2013) 1‐9Zhang et al., Journal of Membrane Science, 442 (2013), 31‐38

Zhang et al., Journal of Membrane Science, 349, (2010) pp 295‐303Zhang et al., Journal of Membrane Science, 369,  (2011) 514‐525Zhang et al., Journal of Membrane Science, 387‐388 (2012), 7‐16Zhang et al., Journal of Membrane Science, 442 (2013), 31‐38

Zhang et al., Journal of Membrane Science, 369,  (2011) 514‐525Zhang et al., Journal of Membrane Science, 387‐388 (2012), 7‐16Zhang et al., Journal of Membrane Science, 442 (2013), 31‐38Dumée et al., Desalination, 323 (2013), 22‐30

Integration of Membrane Distillation

• A compact, easy to operate thermal desalination system• Low cost materials• Integrates well with industry heat• Using low grade waste heat source 

A. Hausmann, et al (2012), Chemical Eng J, v211‐212  p378‐387

Power Plant Demonstration

Seawater

IX Regenerant3000 mg/L TDS

Parameter IX resin regenerant effluent

pH 7.7TOC (mg/L) 5.5TIC (mg/L) 208

Ammonia (mg/L as N) 38Total Dissolved Solids 

(mg/L)3490

Calcium (mg/L) 7.1Iron (mg/L) 0.2

Potassium (mg/L) 14Magnesium (mg/L) 4.4Phosphorus (mg/L) <0.1

Zinc (mg/L) <0.1Silica (mg/L)* 19

Boiler Circulation Pumps – 30‐38C

Membrane Distillation ‐ Industrial

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

% Recov

ery 

Prod

. rat

e or

Spe

cific

Flu

x

Production rate (L/hr)Specific flux  (x10 L/hr/m2/Pa)%Recovery

Trend of production rate, specific flux and water

recovery.

Dow et al,  Membrane distillation of industrial wastewater,  AWA Ozwater 11, Adelaide, 2011, 9‐11 May, paper 218

Dow et al, Power station water recycling using membrane distillation – A plant trial.  Ozwater, AWA, 8‐10 May 2012, Sydney

0

20

40

60

80

Con

cent

ratio

n (m

g/L)

Total Nitrogen (mg/L)

Total Inorganic Carbon (mg/L)

Total Dissolved Solids (mg/L)

Permeate water quality

0

20

40

60

80

Con

cent

ratio

n or

Con

duct

ivity

TDS (x1000 mg/L)

Conductivity (mS/cm)

Reject salt concentration

17% drop in flux over 3+ months

Membrane Distillation –Industrial 

• Fouling was manageable

• Low heat efficiency but sufficient heat to treat all power plant water

• Similar low grade heat available at other industrial sites (survey of 6 industries) 

3rd Demo ‐ Textile Wastewater

• Objectives– Test bench different membranes and pre‐treatments

– Trial MD on site– Test membrane cleaning– Assess integration with site waste heat

Noel Dow1, Jesus Villalobos Garcia2, Leslie Niadoo2, Nicholas Milne1, Jianhua Zhang1, Stephen Gray1, Mikel Duke11Institute for Sustainability and Innovation, College of Engineering and Science, Victoria University, Melbourne, Australia

2Australian Textile Mills, Wangaratta, Australia

Noel Dow

Jesus Garcia

Mikel Duke

Setup – Pilot Trial• Australian Textile Mills, Wangaratta• DCMD pilot plant developed by Victoria University

• Membranes– Option 1: scrim‐backed PTFE 0.1 µm pore size (Chang‐qi, China)– Option 2: Hydrophilic laminated PTFE (Australian Textile Mills)

• Step 1: choose membrane

6.4m2 module

Condensate return line

Air cooler (+cooling water)

Results – Membrane Comparison

Option 2:Laminated PTFE

• Flux: 17 L/m2/h

• Not tolerant to surfactants

• Flux: 5.2 L/m2/h• >80% water 

recovery• Worked well 

with surfactants

Option 1: Standard PTFE

Results ‐ Pretreatment

• Pre‐treatments greatly reduced wetting (Approx 50% TOC reduction)• Non‐biological not ‘perfect’ and wetting eventually occurs

– Risk of wetting due to process upsets

• Biological treatment more reliable  pilot trial– Combine with fractionation on hot cycle to 

capture surfactants

Water Source Permeate EC rise rate (µS/cm/hr)

Untreated water 300

50% Diluted 20

Foam Fractionation 10

Ozonation 24

Fenton Oxidation 16

Biological Treatment (Anaerobic + aerobic) 2

• Plant productivity, flux and temperatureResults – Pilot Trial

Hot water pump installed

Factory closed

Factory closed and CIP testing:Caustic CIP effective

Integration into Textile Process• Boilers for steam generation – 4 x 6 MW

– 1 or more boilers always working– Waste heat available at 50‐60˚C; 0.19 MW thermal energy

• MD thermal requirements– With internal heat recovery = 250 kWh/m3

– DCMD no heat recovery = 1,200 kWh/m3

• Insufficient heat available for treatment of full flow (1 ML/D)

Wastewater

High DOC, low salt (<500 mg/L)60% total flow

High salt (4,000 mg/L)40% total flow

RO MD

MD

Results – Integration AssessmentScenario 1 (all MD)

Scenario 2 (RO+MD)

MDHigh EC effluent

Clean water

Brine

ROMD

R = 90%

R = 90%

R = 99% 3.3 kL/day

• MD with heat recovery = 3.4MW (55% boiler)

• Not enough waste heat• Need to use additional energy 

from boiler325 kL/day

Assessment:

325 kL/day Brine

33 kL/day

Clean water

Brine

3.3 kL/day

322 kL/day

High EC effluent

• MD with heat recovery = 0.3 MW (5% boiler)

• MD without heat recovery = 1.5 MW (24% boiler)

• Current waste heat source = 13% of MD capacity (no heat recovery)

29 kL/day

293 kL/day

• Viable options for MD if used with RO to treat textile wastewater

• Heat recovery MD design takes small amount of energy from current boiler

• ATM undertaking MBR trials for pretreatment before RO –MD

• Opportunity with other textile mills

Outcomes – MD Options

Conclusion• Need models to design Membrane Distillation process for 

specific site locations and available waste heat sources

• Integration into industrial process needs to be considered; available waste heat is sometimes sufficient for low thermal efficiency membrane distillation but not always

• Membrane distillation cannot complete with RO but can compliment RO treatment as industry moves to zero liquid discharge

• Fouling and wetting can be management with correct pre‐treatment or selection of membranes

• Challenge is integration into site processes

Many thanks to:

Tony Fane ‐ Singapore/UNSWEmile Cornelissen ‐ KWR, The NetherlandsMike Dixon ‐ Alberta WaterSMARTLinda Zou ‐Masdar Institute of Science & TechnologySuzana Periera Nunes ‐ KAUST  Matthias Wessling ‐ RWTH AachenNeil Palmer ‐ NCEDA/MurdochSophie Leterme ‐ FlindersNamita Choudhury ‐ UniSASheng Dai ‐ Adelaide UniHiep Le ‐ Osmoflo, SAMikel Duke ‐ Victoria UniAndrew Groth ‐ Evoqua Water TechnologiesDharma Dharmabalan ‐ Tasmania WaterHuanting Wang ‐Monash UniversityHo Kyong Shon ‐ UTSManh Hoang ‐ CSIROPierre Le‐Clech ‐ UNSWMatthew Hill ‐ CSIROAaron Thornton ‐ CSIRO

Join our 2016 Organising Committees in beautiful Adelaide, South Australia

Four outstanding plenary speakers confirmed

Benny Freeman Menachem Elimelech Xiao‐Lin Wang Sandra Kentish

5‐8 December, 2016Adelaide