Tesi doctoral d'Atefeh Tizchang: "Design a robust membrane distillation system for industrial wastewater treatment". Direcció: Dr. Wolfgang Gernjak i Dr. Morgan Gregory Abily.
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.
En conjunt, la integració de processos de pretractament amb sistemes MD
millorats amb espaiadors representa una estratègia pràctica i eficient per al
tractament d’aigües residuals industrials, contribuint als objectius
d’eficiència energètica i d’economia circular.
Lectura de la tesi: 19/06/2026 a la Sala d'actes de l'Institut Català de Recerca de l'Aigua (ICRA) (informació extreta de l’Agenda activitats de la web Escola de Doctorat).