Optimizing operation parameters for direct contact membrane distillation (DCMD) system in seawater desalination
,
,
*
,
,
,
and
Article Sidebar
Full Text: 
PDF
Abstract
Climate change is intensifying saltwater intrusion and freshwater scarcity in many regions, creating an urgent need for effective, sustainable desalination solutions. In this context, membrane distillation (MD) is regarded as a highly promising option for producing high-quality water at low cost by utilizing solar energy and waste heat. However, key challenges remain in selecting suitable MD membranes and establishing optimal operating parameters to simultaneously achieve high flux and stable salt rejection. Therefore, this study systematically investigates a direct contact membrane distillation (DCMD) system using a PVDF-MD membrane fabricated with isoamyl alcohol as the solvent, evaluating the effects of temperature difference, cross-flow velocity, feed salinity, and operating time. The results indicate optimal conditions of 70 °C (hot/feed) and 25 °C (cold/permeate) with a cross-flow velocity of 0.33 m/s, delivering a permeate flux of 20.5 LMH and salt rejection >99.9% while mitigating pore wetting. The membrane also operated stably with a high concentration of brine and, after 30 days of continuous treatment of real seawater, produced distillate meeting drinking-water standards.
Tóm tắt
Biến đổi khí hậu đang làm gia tăng xâm nhập mặn và thiếu nước ngọt ở nhiều địa phương, đặt ra nhu cầu về giải pháp khử mặn hiệu quả, bền vững. Trong bối cảnh đó, công nghệ chưng cất màng (MD) được xem là giải pháp có nhiều tiềm năng cho chất lượng nước tốt và chi phí thấp nhờ tận dụng được năng lượng mặt trời và nhiệt thải. Tuy nhiên, thách thức còn nằm ở việc lựa chọn màng MD phù hợp và xác lập bộ thông số vận hành tối ưu để đồng thời đạt thông lượng và hiệu suất tách muối cao, ổn định. Do vậy, nghiên cứu này tập trung khảo sát có hệ thống hệ chưng cất màng trực tiếp (DCMD) sử dụng màng PVDF-MD tổng hợp bằng dung môi isoamyl alcohol, đánh giá ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ, tốc độ dòng chảy ngang, nồng độ muối đầu vào và thời gian vận hành. Kết quả cho thấy điều kiện tối ưu ở 70°C (dòng nóng) và 25°C (dòng lạnh) với tốc độ dòng 0,33 m/s, đạt thông lượng 20,5 LMH và hiệu suất tách muối >99,9%, đồng thời hạn chế thấm ướt lỗ màng. Màng vẫn vận hành ổn định với dung dịch nước biển có nồng độ muối cao và sau 30 ngày xử lý nước biển thực, nước thấm duy trì đạt tiêu chuẩn nước uống.
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
References
Alkhudhiri, A., Darwish, N., & Hilal, N. (2012). Membrane distillation: A comprehensive review. Desalination, 287, 2–18. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.08.027.
Bamgboye, T. T., Avellán, T., Klöve, B., & Haghighi, A. T. (2025). Compounding impacts of climate change and urbanisation on water-energy-food nexus in global south countries: A systematic review. Environmental and Sustainability Indicators, 27, 100791. https://doi.org/10.1016/j.indic.2025.100791.
Eykens, L., Hitsov, I., De Sitter, K., Dotremont, C., Pinoy, L., Nopens, I., & Van der Bruggen, B. (2016). Influence of membrane thickness and process conditions on direct contact membrane distillation at different salinities. Journal of Membrane Science, 498, 353–364. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.07.037
Gontarek-Castro, E., & Castro-Muñoz, R. (2024). How to make membrane distillation greener: A review of environmentally friendly and sustainable aspects. Green Chemistry, 26(1), 164–185.
https://doi.org/10.1039/D3GC03377E.
Joshi, S. R., Sinha Ray, S., Kim, S., & Kwon, Y. N. (2024). Potentiality of PLA 3D printed macro-structured feed spacers with a rational and facile layout for improved MD desalination performance. Chemical Engineering Research and Design, 203, 293–304. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2024.01.037.
Julian, H., Nurgirisia, N., Qiu, G., Ting, Y. P., & Wenten, I. G. (2022). Membrane distillation for wastewater treatment: Current trends, challenges and prospects of dense membrane distillation. Journal of Water Process Engineering, 46, 102615. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.102615.
Khalifa, A., Ahmad, H., Antar, M., Laoui, T., & Khayet, M. (2017). Experimental and theoretical investigations on water desalination using direct contact membrane distillation. Desalination, 404, 22–34. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.10.009.
Kim, J., & Hong, S. (2023). Pilot study of emerging low-energy seawater reverse osmosis desalination technologies for high-salinity, high-temperature, and high-turbidity seawater. Desalination, 565, 116871. https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.116871.
Liao, Y., Wang, R., & Fane, A. G. (2013). Engineering superhydrophobic surface on poly (vinylidene fluoride) nanofiber membranes for direct contact membrane distillation. Journal of Membrane Science, 440, 77–87. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.04.006.
Lou, M., Meng, L., Li, J., & Li, F. (2025). Review of designing anti-surfactant wetting Janus membranes for membrane distillation: Mechanisms, methods and challenges. Desalination, 599, 118448. https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118448.
Luo, A., & Lior, N. (2017). Study of advancement to higher temperature membrane distillation. Desalination, 419, 88–100. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.05.020.
Martínez, L., & Rodríguez-Maroto, J. M. (2008). Membrane thickness reduction effects on direct contact membrane distillation performance. Journal of Membrane Science, 312(1–2), 143–156.
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2007.12.048.
Nejati, S., Boo, C., Osuji, C. O., & Elimelech, M. (2015). Engineering flat sheet microporous PVDF films for membrane distillation. Journal of Membrane Science, 492, 355–363. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.05.033.
Ngo, M. T. T., Diep, B. Q., Sano, H., Nishimura, Y., Boivin, S., Kodamatani, H., Takeuchi, H., Sakti, S. C. W., & Fujioka, T. (2022). Membrane distillation for achieving high water recovery for potable water reuse. Chemosphere, 288, 132610. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132610.
Nguyen, N. C., Chen, S. S., Ho, S. T., Nguyen, H. T., Sinha Ray, S., Nguyen, N. T., Hsu, H. T., Le, N. C., & Tran, T. T. (2018). Optimising the recovery of EDTA-2Na draw solution in forward osmosis through direct contact membrane distillation. Separation and Purification Technology, 198, 108–112. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.02.001.
Philibert, M., Villacorte, L. O., Ekowati, Y., Abushaban, A., & Salinas-Rodriguez, S. G. (2024). Fouling and scaling in reverse osmosis desalination plants: A critical review of membrane autopsies, feedwater quality guidelines and assessment methods. Desalination, 592, 118188. https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.11818.
Salari, M. E., Zabihi, M., & Murphy, J. (2025). A techno-economic study on the utilisation of airborne wind energy for reverse osmosis seawater desalination. Heliyon, 11(2), e41814. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e41814.
Thi, N. H., Duong, H. C., Chen, S. S., Le Quang, H., Ngo, H. H., Duong Cong, C., Nguyen, C. N., Nguyen, U. T. T., & Huynh, D. D. (2025). Enhancing membrane distillation stability: Isoamyl alcohol coagulation as a novel strategy to mitigate membrane swelling at elevated temperatures. Environmental Technology and Innovation, 37, 104029. https://doi.org/10.1016/j.eti.2025.104029.
Wang, K. Y., Teoh, M. M., Nugroho, A., & Chung, T. S. (2011). Integrated forward osmosis–membrane distillation (FO–MD) hybrid system for the concentration of protein solutions. Chemical Engineering Science, 66(11), 2421–2430.
https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.03.001.