Includes a title page in Arabic

Thesis (Ph.D.) Doctoral Egypt - Japan University of Science and Technology (E - JUST) - School of Energy , Environment , Chemical and Petrochemicals Engineering (EECE) - Chemical and Petrochemicals Engineering Department 2024

Membrane distillation (MD) stands out from conventional distillation methods due to its lower hydrostatic pressures , reduced operating temperatures , and less stringent membrane requirements These advantages make MD particularly appealing for separating non - volatile solutes like salts or colloids with high rejection rates However , its commercial viability is hampered by lower productivity compared to other membrane processes To address these challenges , recent research has focused on enhancing MD membranes using low - cost waste polystyrene (PS) Both plain and modified PS membranes , incorporating materials such as steel slag , silica , and carbon derived from peanut shells , were investigated The goal was to improve membrane characteristics and explore their potential for solar - driven applications in MD units , aiming to replace traditional feed solution heating methods Two methods , casting via non-solvent - induced phase inversion and electrospinning , were employed to fabricate these membranes The study found that electrospinning significantly enhanced membrane properties compared to casting , increasing contact angles by 17% and porosity by 94% for plain waste PS membranes The addition of steel slag improved contact angles and porosity by 13% and 25% in cast membranes , and by 4% and 16% , respectively , in electrospun membranes Silica additions to electrospun membranes enhanced hydrophobicity and porosity by 9% and 22% , respectively , while the carbonaceous materials increased porosity by 30 % , albeit with a slight decrease in hydrophobicity due to the possible attached hydrophilic groups These composite membranes demonstrated substantial improvements in permeate flux (36-92% increase) and salt rejection (>98% for all modified membranes) Besides , the numerical simulations further underscored their thermal efficiency The altered membranes showed an enhanced temperature polarization coefficient (TPC) for all membranes except the modified carbon composite membranes , due to the highly enhanced flux which requires more heat for vaporization , decreasing the feed/membrane interface temperature and thus deviating from the feed bulk temperature , leading to decreased TPC Overall , the composite membranes showed improved thermal efficiency as specific energy consumption (SEC) decreased by more than 53% , and the overall thermal efficiency achieved over 75% , implying a high level of thermal efficiency Under solar illumination , composite membranes showed a temperature increase at the membrane surface of 5-19°C compared to plain waste PS membranes at 1 sun , significantly boosting water evaporation rates by (69-327%) and the photothermal efficiency by (60-306%) Moreover , the photothermal membrane distillation , for all tested membranes , showed more than fourfold enhancement in water productivity These findings highlight the promising performance enhancements achievable through innovative membrane materials The study underscores the potential of waste - based composite membranes not only to enhance MD efficiency but also to leverage solar energy for sustainable water purification applications

تتميز عملية التقطير الغشائي (MD) عن طرق التقطير التقليدية بضغوطها الهيدروستاتيكية المنخفضة ، و درجات الحرارة التشغيلية المخفضة ، و متطلبات الأغشية الأقل صرامة تجعل هذه المزايا عملية التقطير الغشائي جذابة بشكل خاص الفصل المذيبات غير المتطايرة مثل الأملاح أو الغرويات بمعدلات استخلاص عالية و مع ذلك ، تعوق قابليتها التجارية الإنتاجية المنخفضة مقارنة بعمليات الأغشية الأخرى المواجهة هذه التحديات ، ركز هذا البحث على تحسين أغشية التقطير الغشاني باستخدام نفايات البوليسترين (PS) ذات التكلفة المنخفضة حيث تم بحث كل من الأغشية البسيطة و المعدلة للبوليسترين ، متضمنة مواد مثل خبث الفولاذ ، السيليكاء و الكربون المستخرج من قشور الفول السوداني بهدف تصين خصائص الأغشية و استكشاف إمكاناتها للتطبيقات المدفوعة بالطاقة الشمسية في وحدات التقطير الغشائي ، بهدف استبدال طرق تسخين محلول التغذية التقليدية تم استخدام طريقتين ، لتصنيع هذه الأغشية هما الصب عبر انقلاب الطور الناتج عن عدم وجود مذيبات و الغزل الكهربائي وجدت الدراسة أن الغزل الكهربائي حسن خصائص الأغشية بشكل كبير مقارنة بالصب ، مما زاد من زوايا كره السطح للمياه بنسبة ١٧٪ و من المسامية بنسبة %٩٤ للأغشية البسيطة للبوليسترين و أدى إضافة خبث القولان إلى تحسين زوايا طرد السطح و المسامية بنسبة %١٣ و ٢٥٪ على التوالي في الأغشية المصبوبة ، و بنسبة %٤ و ١٦٪ على التوالي في الأغشية المغزولة كهربائيا كما عززت إضافات السيليكا إلى الأغشية المغزولة كهربائيا من الخصائص الكارهة للماء و المسامية بنسبة ٩ و ٢٢٪ على التوالي ، بينما زادت المواد الكربونية المستخرجة من قشور الفول السوداني المسامية بنسبة %۳۱٪ ، رغم انخفاض طفيف في خاصية الكره للماء بسبب المجموعات المحبة للماء المتصلة بها كما أظهرت هذه الأغشية المركبة تصينات كبيرة في كمية المياه المنتجة (زيادة بنسبة ٣٦-٩٢٪) و رفض الأملاح (۹۸۷% لجميع الأغشية المعدلة علاوة على ذلك ، أكدت المحاكاة العددية كفاءة هذه الأغشية الحرارية حيث أظهرت الأغشية المعدلة تحسينا في معامل استقطاب درجة الحرارة لجميع الأغشية باستثناء الأغشية المركبة المعدلة بالكربون ، بسبب التدفق العالي المعزز الذي يتطلب مزيدا من الحرارة للتبخر ، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة واجهة الغشاء بين الجهتين ، و بالتالي انحرافها عن درجة حرارة التغذية ، مما يؤدي إلى انخفاض معامل استقطاب درجة الحرارة بشكل عام أظهرت الأغشية المركبة كفاءة حرارية محتلة حيث انخفض استهلاك الطاقة لكل متر مكعب من المياء المنتجة (SEC) بأكثر من ٥٣ و تم تحقيق كفاءة حرارية إجمالية تزيد عن ٧٥% مما يدل على الكفاءة الحرارية العالية المحققة باستخدام هذه الأغنية كما أظهرت الأغشية المركبة تحت الإضاءة الشمسية ، زيادات في درجات الحرارة على سطح الغشاء تتراوح بين .. ١٩ درجة مئوية مقارنة بالأغشية البسيطة ، و زيادات كبيرة في معدلات تبخر الماء بنسبة تتراوح من ٦٩% إلى ٣٢٧% و كفاءة التحويلية الضوئية الحرارية ( ٣٠٦٠٦٠ ) كما أن النموذج الفوتو حراري المستخدم أظهر توافقا قويا مع القيم التجريبية و قيم الأدبيات لعملية التقطير الغشائي المباشر (DCMD) ، مع نسبة خطأ تقل عن ١٠٪ و بناء عليه ، أظهر التحليل العددي المنفذ للأغشية البوليستيرين المحضرة أن الإشعاع الشمسي عزز تدفق الغشاء بأكثر من أربعة أضعاف الكمية المنتجة باستخدام التقطير الغشائي التقليدي بوجه عام ، تسلط هذه النتائج الضوء على التحسينات الواعدة التي يمكن تحقيقها من خلال مواد الأغشية المبتكرة و تقنيات التصنيع في التقطير الغشائي كما تؤكد الدراسة على إمكانات الأغشية المركبة المعتمدة على النفايات ليس فقط لتحسين كفاءة التقطير الغشائي و لكن أيضا الاستغلال الطاقة الشمسية في تطبيقات تنقية المياه المستدامة

Issued also as a digital file (for more information please check our Digital Repository)

EECE CPE