Domestic and industrial water demands are growing globally due to population growth and rapid economic development, placing increasing strains on water resources. Wastewater effluents generated from these and other activities impact the environment and are thus subject to tightening regulation. The focus of research and development in water treatment processes aims at both pollutant removal efficiency and cost of purification. Membrane distillation (MD) is a developing thermally driven technology capable of achieving extremely high environmental performance utilizing renewable energy sources to a high degree. District heating networks, and in particular those driven by biomass, represent an ideal heat supply for MD systems. This thesis presents a technoeconomic assessment of district heating driven MD for water purification in selected industrial applications. The study covers analysis of MD separation performance and the related costs from different district heating integration scenarios. The analyses are based on three types of semi-commercial MD modules, with experiments conducted at laboratory and pilot scales. The case studies include pharmaceutical residue removal from effluents of municipal wastewater treatment plant, wastewater purification in pharmaceutical industry, and ethanol concentration in bioethanol production plant. Full-scale simulation studies were carried out for the identified case studies based on the experimental data obtained from MD module along with process information gathered from the industries. Results from the pharmaceutical residue removal pilot trials showed very good to excellent separation efficiency for 37 compounds at feed concentrations ranging from ng/L to mg/L. From alcohol-water feeds, ethanol concentrations were increased from 5% to nearly 90%. Simulation studies revealed that district heating integration of MD systems is feasible. Costs per unit volume of purified water are higher than competing technologies, however the configurations enable enhanced environmental performance that would be difficult to achieve otherwise. / Kommunala och industriella vattenkrav växer globalt på grund av befolkningstillväxt och snabb ekonomisk utveckling, vilket ökar belastningen på vattenresurserna. Avloppsvatten från alla verk-samheter påverkar miljön och är därmed föremål för tilltagande reglering. Fokus i forskning och utveckling av vattenreningsprocesser syftar till att både öka effektiviteten i avlägsnandet av föroreningarna och att minska kostnaderna för detta. Membrandestillation (MD) är en ny termiskt driven teknik som kan uppnå extremt hög miljö-prestanda genom att den är effektiv och i hög grad kan drivas av förnybara energikällor. Fjärrvärmesystem, särskilt de som drivs av biomassa, utgör en idealisk värmeförsörjning för ett MD-system. Avhandlingen presenterar en teknoekonomisk bedömning av fjärrvärmedriven MD för vattenrening i utvalda industriella applikationer. Studien analyserar MD-systemets separations-prestanda och kostnader i olika fjärrvärmeintegrationsscenarier. Analyserna baseras på tre typer av semi-kommersiella MD-moduler, med experiment utförda på laboratorie- och pilotskala. Fallstudierna innefattar: borttagning av läkemedelsrester från avloppsvatten från kommunalt avloppsreningsverk; avloppsvattenrening i läkemedels-industrin; och uppkoncentrering i bioetanolproduktionsanläggning. Fullskaliga simuleringsstudier har utförts för fallstudierna baserat på experimentella data erhållna från MD-modulen och med processinformation som samlats in från industrin. Resultaten från försöken med läkemedelsrester visade mycket god till utmärkt separationseffektivitet för 37 föreningar vid förorenings-koncentrationer som sträckte sig från ng/liter till mg/liter. Vid uppkoncentrering av alkohol ökades etanolhalten från 5 % till nära 90 %. Simuleringsstudier visade att fjärrvärmeintegration av MD-system är möjlig. Kostnader per volym renat vatten är högre än konkurrerande teknik, men konfigurationerna möjliggör förbättrad miljöprestanda som skulle vara svår att uppnå på annat sätt. / <p>This doctoral research has been carried out in the context of an agreement on joint doctoral research supervision between KTH Royal Institute of Technology, (Stockholm, Sweden), and Politecnico di Torino − PoliTo, (Turin, Italy). Erasmus Mundus Joint Doctorate, SELECT+ (Environomical pathways for sustainable energy services) program. QC 20170523</p> / SLECT+ Erasmus Mundus Joint Doctoral Program

Die Entsalzung ist eine der wichtigsten Technologien, um den Frischwasserbedarf in vielen Regionen der Welt sicherzustellen. Bevölkerungswachstum, der Klimawandel und stetig steigender Konsum werden die Bedeutung von Entsalzungstechnologien weiterwachsen lassen. Die Möglichkeit des Einsatzes etablierter konventioneller Verfahren wird begrenzt durch die hohen ökologischen und ökonomischen Kosten dieser Verfahren. Unkonventionelle Entsalzungsverfahren wie die Membrandestillation (MD) bieten einige Vorteile, mit denen sie konventionelle Verfahren jenseits dieser Limitationen ergänzen können. Die MD ist ein thermisch angetriebener Prozess, in welchem eine hydrophobe Membran das warme, flüssige Feed räumlich von der kälteren Permeatseite trennt, während nur dampfförmige Moleküle durch die Membran permeieren können. Wie in allen membranbasierten Trennprozessen bestimmen die Charakteristika der verwendeten Membran die Leistungsfähigkeit (Massentransport, Rückhaltevermögen und Energieeffizienz) des Prozesses und das damit verbundene kommerzielle Interesse. Durch ihre intrinsisch hydrophoben Materialeigenschaften und ihren guten Massentransfercharakteristika ist die Verwendung von Polymermembranen in der MD aktuell Stand der Technik. Um die Einsatzmöglichkeiten von MD Verfahren auf aggressive Lösungen zu erweitern, werden thermisch, mechanisch und chemisch stabile Membranen benötigt. Obwohl keramische Membranen im Vergleich zu Polymermembranen eine höhere Stabilität aufweisen (wodurch die Behandlung von aggressiven Lösungen mit MD-Verfahren prinzipiell möglich wird) muss die Eignung von keramischen Membranen für MD-Verfahren wissenschaftlich belegt und ein Konzept zur Membranoptimierung entwickelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Typen modifizierter keramischer Membranen (z.B. Materialauswahl und Schichtaufbau) vollständig im Hinblick auf ihre spezifischen Membraneigenschaften (z.B. Porengröße, Wärmeleitfähigkeit und hydrophobe Eigenschaften) charakterisiert und anschließend unter Verwendung von salzhaltigen Lösungen in der Direktkontaktmembrandestillation (DCMD) und der Vakuummembrandestillation (VMD) getestet. Diese Daten wurden genutzt, um den Stofftransport von asymmetrischen keramischen Membranen unter Verwendung eines anerkannten VMD-Modells (basierend auf dem Dusty-Gas-Modell) zu berechnen und um die Leistungsfähigkeit (d.h. Stabilität, Stofftransport, Selektivität und Energieeffizienz) von modifizierten keramischen Membranen in der MD in Hinblick auf spezifische Membraneigenschaften und Verfahrensparameter zu bewerten. Anschließend wurde die Eignung von keramischen Membranen für MD-Prozesse evaluiert und Optimierungskonzepte für keramische Membranen vorgeschlagen. Damit wurde mit dieser Arbeit die Grundlage gelegt, die Kommerzialisierung von keramischen Membranen in der MD voranzutreiben. Keramische Membranen wurde mit verschiedenen Molekülen hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften modifiziert. Dadurch konnte ein nicht-fluorisiertes Molekül als potenzielle Alternative zu den üblicherweise verwendeten fluorierten Molekülen identifiziert wurde. Für alle modifizierten Membranen (unabhängig von dem Hydrophobierungsmittel) mit Porengrößen kleiner oder gleich 400 nm, wurde ein Flüssigkeitseindringdruck (LEP) über 2,5 bar gemessen, welcher jedoch eine starke Abhängigkeit von den Eigenschaften der Testlösung zeigt. Während symmetrisch aufgebaute keramische Membranen modifiziert mit einem fluorierten Hydrophobierungsmittel die Behandlung mit heißer, salzhaltiger Lösung über 96 Stunden standhielten, zeigten diese deutlich geringere Permeatflüsse in der VMD als asymmetrisch strukturierte keramische Membranen. Der Stofftransport von asymmetrischen keramischen Membranen war in der VMD höher ausgeprägt als in der DCMD. Der Stofftransport von asymmetrischen keramischen Membranen wird in der VMD vorwiegend von den Supporteigenschaften beeinflusst, während der Strofftransport in der DCMD erheblich von den Eigenschaften der trennaktiven Membranschicht (z. B. die Porengröße) bestimmt wird. Ein in der Literatur beschriebenes VMD-Modell in Bezug vorhandener Defizite durch Korrekturfaktoren erfolgreich erweitert und zur Berechnung des Strofftransportes für asymmetrische TiO2 Membranen angewandt. TiO2 und Al2O3 Membranen wurden in der VMD erfolgreich zur Behandlung hochkonzentrierter Salzlösungen (synthetische und reale Lösungen) verwendet. TiO2 Membranen zeigten höhere Permeateflüsse als Al2O3 Membranen in der DCMD und der VMD. Das begründet sich insbesondere bedingt durch die bessere Moderierung von Temperaturpolarisationseffekten aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von TiO2 Membranen. Beispielsweise wurden bei der Behandlung einer hochkonzentrierte NaCl-Lösung (350 g NaCl pro kg H2O) mit einer TiO2 Membran (Finale Porengröße: 100 nm) in der VMD hervorragende Salzrückhalte von über 99,9 % und Permeatflüsse von bis zu 35 kg/( m² h) erreicht. Die Stofftransportraten der modifizierten keramischen Membranen in der VMD sind im Vergleich zu den Permeatflüssen von Polymermembranen (Literaturwerte) unter ähnlichen Testbedingungen wettbewerbsfähig. Es wurde gezeigt, dass die geringe Energieeffizienz von keramischen Membranen weiterhin die größte Herausforderung für deren kommerzielle Nutzung in MD-Prozessen darstellt und diese der Fokus der Membranoptimierung darstellen sollte.

India is experiencing a bitter challenge in terms of water resources, with the lack of access to safe drinking water being attributed to nearly 200 000 deaths per year. The rural population is especially exposed as groundwater make up 85 % of their drinking water, with widespread contamination being reported. One source of contamination is fluoride, which has been identified in concentrations far beyond the recommended limit from the World Health Organization (WHO), causing severe health problems such as skeletal fluorosis. While India has made significant progress in providing households connections to the grid, electricity access remains unreliable, particularly in rural areas. Membrane distillation (MD) is a thermally driven water purification technology which achieves excellent fluoride reduction rates. Several systems with various combinations of technologies integrated with MD has been researched, where the use of photovoltaic thermal hybrid solar collectors (PVT) and heat pumps (HP) has been receiving increased attention as of late. These two technologies have, to the Author’s best knowledge, never been integrated together for MD, which is the basis of this thesis. With the goal of providing an average of 1000 L of potable water a day, three novel off-grid systems are created using the energy modeling software Polysun with weather data from Balasore, India. Two PVT models and three different HPs identified on the market are considered for the systems. The PVTs differ in terms of glazing, and the HPs have various heating capacities and max water supply temperatures, with one being an air source heat pump (ASHP) and two water source heat pumps (WSHP). One configuration of each combination of PVT and HP is created and optimized in terms of MD modules, battery storage capacity, and feed flowrate, evaluated based on the Key Performance Indicators (KPI) production cost, PVT area, and average daily yield. Furthermore, two different controller strategies are evaluated based on their average daily yield, where one prioritize a high coefficient of performance (COP) for the HP, and the other energy recovery from the MD. The final configurations are thereafter compared based on their production cost. Nine out of the ten final configurations achieve a production cost between 60 - 72 $/m3 after being optimized, which is within the reported range for MD but at the higher end. The larger WSHP achieves the lowest production cost at 60.1 $/m3 paired with the glazed PVT, having a gross area of 323 m2. The glazed PVT performs better than the unglazed for all configurations in terms of both production cost and PVT area. However, the cost of the larger WSHP is based on the $/kW of the smaller WSHP while the two PVTs are assigned an identical $/m2, resulting in the price difference between the products being the determining factor for the actual configuration with the lowest production cost. The lowest PVT area for the final configurations is 294 m2. The required PVT area to reach the production goal is heavily dependent on the amount of MD modules, HP heating capacity and max water supply temperature, and battery storage capacity. Only one configuration achieved a higher yield when energy recovery was prioritized, which supplied 20 % of that system’s thermal energy while not utilizing 61 % of the energy recovery potential. / Indien upplever en bitter utmaning med vattenresurser, där bristande tillgänglighet till säkert dricksvatten är attribuerat nära 200 000 dödsfall per år. Befolkningen på landsbygden är särskilt utsatt då grundvattnet representerar 85 % av deras dricksvatten, som till stor del rapporterats som förorenat. En föroreningskälla är fluorid, vilket har identifierats i koncentrationer långt över den rekommenderade gränsen av World Health Organization (WHO), som leder till allvarliga hälsoeffekter som skelettfluoros. Även fast Indien har gjort stora framsteg inom elnätsanslutningar för hushåll, är elektricitetstillgången opålitligt, speciellt på landsbygden. Membrandestillation (MD) är en värmedriven vattenreningsteknik som uppnår utmärkta reduktionsnivåer av fluorid. Det har forskats om flera system med olika kombinationer av tekniker integrerade med MD, där användningen av hybridsolpaneler (PVT) och värmepumpar (HP) har fått ett ökande intresse på sistone. Dessa två tekniker har, till författarens bästa kännedom, aldrig blivit integrerade tillsammans för MD, vilket är grunden för denna uppsats. Med målet att uppnå en genomsnittlig dricksvattenproduktion på 1000 L per dag, har tre egenartade system skapats i energimodelleringsprogrammet Polysun med väderdata baserad på Balasore, Indien. Två PVT modeller samt tre olika värmepumpar är identifierade på marknaden och implementerade i systemen. PVT modellerna skiljer sig i främst i relation till glasering. Värmepumparna har olika värmekapaciteter samt övre gräns på levererad vattentemperatur, varav en är en luftvärmepump (ASHP) och de två resterande vattenvärmepumpar (WSHP). En konfiguration av varje kombination av PVT och HP skapas och optimeras i relation till MD moduler, batterilagring, och flödeshastighet, som utvärderas med prestandaindikatorerna (KPI) produktionskostnad, PVT yta, samt genomsnittlig dricksvattenproduktion. Två olika kontrollstrategier undersöks även baserat på dricksvattenproduktionen, där en strategi prioriterar en hög prestationskoefficient för HP, och den andra energiåtervinning från MD. De slutliga konfigurationerna jämförs sedan baserat på deras produktionskostnader. Nio av de tio slutliga konfigurationerna uppnår en produktionskostnad mellan 60 - 72 $/m3 efter optimeringen, vilket ligger inom det rapporterade intervallet men på den dyrare sidan. Den större WSHP uppnår den lägsta produktionskostnaden på 60.1 $/m3 i kombination med den glaserade PVT, som omfattar en bruttoarea på 323 m2. Den glaserade PVT presterar bättre än den oglaserad för alla konfiguration sett till produktionskostnad samt PVT area. Dock så är kostnad på den större WSHP baserad på $/kW kostnaden för den mindre WSHP, samt att båda PVT är tilldelade en identisk $/m2 kostnad. Detta leder till att den avgörande faktorn för den faktiska konfigurationen med lägst produktionskostnad är prisskillnaden mellan produkterna. Den lägsta PVT arean för de slutgiltiga konfigurationerna är 294 m2. Den nödvändiga PVT arean för att uppnå produktionsmålet är starkt beroende av mängden MD moduler, batterilagringskapacitet, samt värmekapacitet och övre gräns på levererad vattentemperatur för HP. Endast en konfiguration uppnår en större vattenproduktion när energiåtervinningprioriteras, där 20 % av systemets totala värmeenergi kom från energiåtervinning samtidigt som 61 % av den potentiella energiåtervinningen ej utnyttjas.

This project is a bachelor thesis and aims to study the integration of concentrator photovoltaics (CPV), reverse osmosis (RO) and membrane distillation (MD) for water desalination and purification. In this report, an introduction of the need for efficient water desalination is presented. Following the introduction, relevant literature has been reviewed to build up the fundamental understanding of CPV, RO and MD. A general classification of CPV subsequently introduced. In order to acquire a more comprehensive understanding of CPVs, two case studies were performed with two different types of CPV/T. The cost efficiency of each type of CPV was analysed when integrated with RO and MD systems. The result turns out to be that it was not economically beneficial to have MD in the integrated system. The reason behind is the extensive thermal energy demand of MD. Other affecting parameters, such as location and system types were also discussed. Lastly, improvements and suggestions for further studies were considered. / Detta projekt är en kandidatuppsats och syftar till att studera ett integrerande system bestående av koncentrerade solceller (CPV), omvänd osmos (RO) och membrandestillation (MD) för vattenavsaltning och rening. Rapporten börjar med en introduktion om behovet av effektiv avsaltning av vatten. Relevant litteratur har granskats för att bygga upp den grundläggande förståelsen för CPV, RO och MD. Därefter gjordes en klassificering av CPV. För att få en mer omfattande förståelse av CPV valdes två olika typer av CPV /T för en djupare undersökning. Kostnadseffektiviteten för varje CPV analyserades, när dessa var integrerade med RO- och MD-system. Resultatet visar sig att det tyvärr inte var ekonomiskt fördelaktigt att ha med MD i det integrerade systemet. Anledningen bakom detta var det omfattande termiska energibehovet för MD. Andra avgörande faktorer, såsom plats och systemtyp diskuterades tillika. Slutligen avslutades rapporten med förslag på förbättringar och områden för vidare studier.

In this thesis, the potential to purify water utilizing waste heat from a unit which stores thermal energy and converts it to electricity is studied. The unit, called TES.POD, is developed by Azelio AB and is in this thesis used as a heat source to drive an air gap membrane distillation (AGMD) unit developed by Scarab Development AB. Heat from the TES.POD and ambient air temperature constitutes a temperature difference over a membrane used as a driving force to vaporize a part of the water that transfer through the membrane, and later condensates as clean distilled water as the contaminations stays in the hot stream of feed water. An analysis has been conducted to determine quasi-steady performance of the combined system for estimating the amount of purified water that can be supplied when the TES.POD unit is in peak electricity discharge mode. The 26 kW of waste heat accessible from the TES.POD is shown to enable two AGMD-modules producing purified water at a production of 7, 1l/h per unit having the feed water at 50°C and cooling water at 25°C. A correlation between the amount of waste heat and distilled water production is determined, as the TES.POD could be configured to produce less electricity and more waste heat at a higher temperature. The correlation showed that an 9% increase in cooling temperature, lead to an 30% increase in pure water output and a 33% decrease in electricity output. The results show that when implementing the two companies’ units together, a system that both provides electricity and distilled water is obtained. This is a system with a high demand, especially in off-grid areas with lack of both resources but with accessible renewable energy sources. Moreover, by using waste heat to purify water, it can also reduce the production cost compared to cases where conventional energy sources are used. The potential revenue of the production was estimated to 673 790 SEK/year with an implementation cost of 93 861 SEK with yearly operational expenses estimated to 14 080 SEK/year. / I detta arbete undersöks möjligheten att rena vatten med spillvärme från ett system vilket lagrar termisk energi och av den producerar elektricitet, när det behövs. Systemet är utvecklat av Azelio AB och har produktnamnet TES.POD. Vattendestillationen utförs med en så kallad air gap membrane distillation (AGMD) modul, utvecklad av Scarab Development AB. Värmen från TES.POD och omgivningstemperaturen utgör, i AGMD-modulen, en temperaturdifferens vilken i sin tur skapar en partielltryckskillnad över membranet. Denna partielltryckskillnad låter en del av det förorenade vattnet som flödar i AGMD-modulen att förångas och passera genom membranet. Föroreningarna stannar kvar i det strömmande vattnet och ångan kondenserar som renat vatten.  Arbetet visar att de 26kW som finns att tillgå i form av spillvärme är tillräckligt för att driva två AGMD-moduler att producera 7,1 l/h destillerat vatten per modul. Detta är under förutsättningar att det förorenade vattnet är 50°C och kylvattnet är 25°C. I rapporten återfinns också ett samband mellan mängden spillvärme och produktionen av destillerat vatten, eftersom TES.POD kan konfigureras till att producera spillvärme vid en högre temperatur. Sambandet visade på att 9% ökning av spillvärmens temperatur motsvarar 30% ökning i produktionen av destillerat vatten och en minskad elektricitetsproduktion på 33%.  Resultatet visar på att integrationen av dessa två produkter bildar ett system som både producerar rent vatten och elektricitet när så önskas. Detta system har till synes en stor efterfrågan, speciellt i områden utanför fast el- och vattennätverk men med goda förnyelsebara energikällor. Dessutom, eftersom vattendestillationen sker med spillvärme, kan produktionskostnaderna vara lägre än då konventionella energikällor används. Den potentiella inkomsten från produktionen estimeras till 673 790 SEK/year med en inköpskostnad om 93 861 SEK samt årliga omkostnader om 14 080 SEK/year.

See file / Se bif. fil