Preparazione e prestazioni di membrane a fibra cava per la distillazione a membrana fototermica

Abstract

Lo scopo del lavoro di tesi è stata la preparazione, caratterizzazione e utilizzo di una nuova tipologia di membrane polimeriche porose a fibra cava per il processo di distillazione fototermica a membrana (PMD). La PMD è un processo che ha iniziato a svilupparsi negli ultimi anni, il quale sfrutta un’energia rinnovabile, come quella solare, per aumentare la propria efficienza grazie alle proprietà fototermiche delle membrane utilizzate. Sono state prodotte sia membrane fototermiche a fibra cava a singolo stato, tramite tecnica “dry/wet” e “wet/wet”, che membrane fototermiche a fibra cava a doppio strato. Le fibre cave preparate sono state ottenute a partire da soluzioni polimeriche di PVDF e DMSO contenenti il 5% w/w, rispetto alla massa di PVDF, di carbon black Ketjen black EC-600JD, utilizzato come additivo fototermico. Al fine di individuare le migliori condizioni operative di preparazione, sono state indagate le caratteristiche delle membrane tramite tecniche di caratterizzazione come porosimetria gas-liquido (GLPD), misura dell’angolo di contatto della superficie esterna, determinazione della porosità totale e analisi di immagini al microscopio ottico e al microscopio elettronico a scansione ad emissione di campo (FE-SEM). Infine, sono state selezionate le migliori membrane prodotte e, una volta alloggiate in opportuni moduli a membrana, sono state valutate le loro prestazioni con prove di distillazione a membrana sia classica sia fototermica, operando in modalità “sweeping gas membrane distillation”. Attraverso l’analisi dei dati ottenuti è stato possibile riscontrare l’utilizzabilità delle fibre prodotte nei processi di PMD e valutare anche gli effettivi vantaggi che questa nuova tecnologia può dare portando a risparmi energetici ed economici reali.

The aim of this thesis work was the preparation, characterization, and application of a new type of porous polymeric hollow fiber membranes for the photothermal membrane distillation (PMD) process. PMD is a process that has begun to develop in recent years and exploits renewable energy, such as solar energy, to increase its efficiency thanks to the photothermal properties of the membranes used. Both single-layer photothermal hollow fiber membranes, prepared using the “dry/wet” and “wet/wet” techniques, and double-layer photothermal hollow fiber membranes were produced. The prepared hollow fibers were obtained from polymeric solutions of PVDF and DMSO containing 5% w/w carbon black Ketjenblack EC-600JD, relative to the mass of PVDF, used as a photothermal additive. In order to identify the best preparation operating conditions, the membrane characteristics were investigated through several characterization techniques, including gas–liquid displacement porosimetry (GLDP), measurement of the contact angle of the external surface, determination of total porosity, and image analysis using optical microscopy and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). Finally, the best membranes produced were selected and, once housed in suitable membrane modules, their performance was evaluated through both conventional membrane distillation and photothermal membrane distillation tests, operating in sweeping gas membrane distillation mode. Through the analysis of the obtained data, it was possible to verify the applicability of the produced fibers in PMD processes and to evaluate the actual advantages that this new technology can provide, leading to real energy and economic savings.