A great quantity of renewable energy can be potentially generated when waters of different salinities are mixed together. The harnessing of this energy for conversion into power can be accomplished by means of the Pressure Retarded Osmosis (PRO). This technique uses a semipermeable membrane to separate a less concentrated solution, or solvent, from a more concentrated and pressurized solution, allowing the solvent to pass to the concentrated solution side. The additional volume increases the pressure on this side, which can be depressurized by a hydroturbine to produce power

1. Caratterizzazione di membrane osmotiche per
Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis
Tesi di laurea di:
Danilo Sanfilippo
Relatori:
Prof. Giorgio Micale
Prof. Andrea Cipollina
Co-relatore
Ing. Giuseppina Vella
Anno Accademico 2013/2014
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica

2. Global Electrical Energy Sources
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 2
GAS
21.40%
COAL
40.30%
OIL
5.10% NUCLEAR
13.40%
OTHERS
0.40%
HYDRO
16.50%
WIND
1.40%
SOLAR
0.10%
GEOTHERMAL
0.30%
BIOFUEL
1.10%
RENAWABLES
19.40%

3. Salinity Gradient Power, SGP
• PRO
• RED
• MESCOLAMENTO CAPACITIVO (CAPMIX)

4. Pressure Retarded Osmosis
(PRO) Work Extraction
4
Low Concentration
Feed Solution
High Concentration
Draw Solution
Semi-permeable
Membrane
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis
M
E
M
B
R
A
N
E
Water Flux
𝐽 𝑤 = 𝐴(∆𝜋 – ΔP)
Permeato
Feed
Pressure
Draw
Solution
Power Density
𝑊 = 𝐽 𝑤 * ΔP

5. PRESSURE RETARDED OSMOSIS
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 5

6. PRO Water Flux
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 6
𝑱 𝒗 = 𝑨 {
𝝅 𝑫𝒃 𝒆𝒙𝒑 −
𝑱 𝒗
𝑲 𝒎
− 𝝅 𝑭𝒃 𝒆𝒙𝒑
𝑱 𝒗 𝑺
𝑫
1 +
𝑩
𝑱 𝒗
[𝒆𝒙𝒑
𝑱 𝒗 𝑺
𝑫
− 𝒆𝒙𝒑(−
𝑱 𝒗
𝑲 𝒎
− ∆𝑷
Fenomeni influenzanti le performance:
1. Polarizzazione della concentrazione esterna
2. Polarizzazione della concentrazione interna
3. Flusso di soluto inverso.

7. OBIETTIVO DELLA TESI
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 7
Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e
Pressure retarded osmosis
CONFIGURAZIONE:
Modulo Piano
Fluidi in equicorrente
INDAGINE:
Parametri operativi del
processo
EFFETTI
Grandezze fondamentali:
• Coeff. di
permeabilità A
• Flusso di permeato
• Densità di potenza
massima
• Long run test

8. APPARECCHIATURA SPERIMENTALE
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 8
Bagno termostatato Bilancia
Draw Solution
Manometri
MODULO PIANO
Feed Solution
Pompa peristaltica

9. CUORE DELL’APPARECCHIATURA
MODULO CONTENENTE LA MEMBRANA
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 9
Piastre esterne
in policarbonato
Spaziatore
(270mm)
Membrana
Modulo
assemblato

10. Membrane testate e Parametri operativi
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 10
Membrane usate:
• OsMem TFC-ES Thin film composite
• BW30FR-6741 Acetato di cellulosa
• SW30HR Thin film composite RO
Parametri indagati:
• Concentrazione della
draw solution
• Acqua mare
• Temperatura
• Portata
• Tempo
Condizioni operative:
• Soluzione diluita: acqua distillata
• Soluzione concentrata: acqua + NaCl (varie
concentrazioni)
• Orientazione della membrana: AL-DS

11. 0
10
20
30
40
50
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Flusso(kg/m2*h)
Concentrazione (M)
Misure di flusso e stima del coeff. A
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 11
Water Flux
𝐽 𝑤 = 𝐴(∆𝜋 – ΔP)
𝝅 = 𝒊𝑪 𝒅𝒓𝒂𝒘 𝑹 𝑻
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
3.4
0 1 2 3 4 5
A(kg/m2*s*atm)
Concentrazione (g/l)
Concentrazione
Draw solution
0.017 M
0.034 M
0.051 M
0.068 M
0.1 M
0.2 M
0.5 M
0.75 M
1 M
2 M
4 M
Temperatura
20 °C
Portata
51 ml/min

12. Misure di Densità di potenza
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 12
Ideal Max Power Density
𝑃𝑑 = 𝐴 ∗
∆𝜋2
4
0,1 M =>𝑃𝑑 = 0,125
𝑊
𝑚2
1 M =>𝑃𝑑 = 9,97
𝑊
𝑚2
0
2
4
6
8
10
12
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Wmax(W/m2)
Concentrazione (M)
Wmax 20°C
Concentrazione
Draw solution
0.017 M
0.034 M
0.051 M
0.068 M
0.1 M
0.2 M
0.5 M
0.75 M
1 M
2 M
4 M
Temperatura
20 °C
Portata
51 ml/min
𝝅 = 𝒊𝑪 𝒅𝒓𝒂𝒘 𝑹 𝑻

13. Effetto della temperatura
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 13
Incremento del flusso di permeato del
20% all’aumento di temperatura da 20
°C a 40 °C alla concentrazione 1 M
0
10
20
30
40
50
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Flusso(kg/m2*h)
Concentrazione (M)
20 °C
30 °C
40 °C
Concentrazione
Draw solution
0.017 M
0.034 M
0.051 M
0.068 M
0.1 M
0.2 M
0.5 M
0.75 M
1 M
Temperatura
20 °C
30 °C
40 °C
Fenomeni influenzati dalla
temperatura
Viscosità dei fluidi µ= µ f(T)
Diffusività soluti D = D f(T)
Coefficienti di trasporto K = K f(T)
Proprietà delle membrana:
Coefficiente di permeabilità
A = A f(T)
Portata
51 ml/min

14. Effetto della temperatura
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 14
Concentrazione
Draw solution
0.017 M
0.034 M
0.051 M
0.068 M
0.1 M
0.2 M
0.5 M
0.75 M
1 M
Temperatura
20 °C
30 °C
40 °C
Portata
51 ml/min
0
50
100
150
200
250
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Conducibilità(mS/cm)
Concentrazione (M)
20 °C
30 °C
40 °C
0
50
100
150
200
250
10 20 30 40 50
Conducibilità(mS/cm)
Temperatura °C
0.1 M
0.2 M
0.5 M
0,75
1 M
Feed solution

15. Effetto della temperatura
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 15
0
10
20
30
40
50
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Flusso(kg/m2*h)
Concentrazione (M)
20 °C
30 °C
40 °C
Concentrazione
Draw solution
0.017 M
0.034 M
0.051 M
0.068 M
0.1 M
0.2 M
0.5 M
0.75 M
1 M
Temperatura
20 °C
30 °C
40 °C
Portata
51 ml/min
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
10 20 30 40 50
A(kg/m2*s*atm)
Temperatura (°C)
20 °C
30 °C
40 °C
Draw solution

16. Effetto della temperatura sulla densità di potenza
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 16
Incremento della densità di
potenza del 100 %
all’aumento di temperatura da
20 °C a 40 °C alla
concentrazione 1 M
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Wmax(W/m2)
Concentrazione (M)
Wmax 20°C
Wmax 30°C
Wmax 40°C
Concentrazione
Draw solution
0.017 M
0.034 M
0.051 M
0.068 M
0.1 M
0.2 M
0.5 M
0.75 M
1 M
Temperatura
20 °C
30 °C
40 °C
Portata
51 ml/min

17. Effetto del regime fluidodinamico sul flusso
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 17
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Flusso(kg/m2*h)
Concentrazione (M)
51 ml/min
72 ml/min
Concentrazione
Draw solution
0.017 M
0.034 M
0.051 M
0.068 M
0.1 M
0.2 M
0.5 M
0.75 M
1 M
Portata
51 ml/min
72 ml/min
Temperatura
20 °C

18. Long Run Test con ‘soluzioni reali’
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 18
Temperatura
20 °C
Portata
51 ml/min
Concentrazione draw solution
1 M
Saline ettore infersa
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Flusso(kg/m2*h)
Tempo (h)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51
Perditadicarico(bar)
Tempo (h)

19. Membrana BW30FR -6741
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 19
0.1
1
10
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Flusso(kg/m2*h)
Concentrazione (M)
BW30FR-6741
TFC
Minori prestazioni
rilevate rispetto alla
membrana TFC
Temperatura
20 °C
Portata
51 ml/min
Concentrazione draw
solution
0,017 M
0,034 M
0,051 M
0,068 M
0,2 M
0,5 M
0,75 M
1 M
Acetato di cellulosa:
• Membrana idrofila
• Resistenza al fouling
• Resistenza ad agenti ossidanti
• Sensibile al pH ( 4-6)

20. Membrana SW30HR
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 20
Nessun Dato significativo
Temperatura
20 °C
Portata
51 ml/min
Concentrazione draw
solution
0,017 M
0,034 M
0,051 M
0,068 M
0,2 M
0,5 M
0,75 M
1 M
Thin Film Composite per RO:
• Alta reiezione salina
• Alti spessori di strato di supporto
• Resistenza ad alte pressioni idrauliche
• Sensibile ad agenti ossidanti

21. CONCLUSIONI
Danilo Sanfilippo, Caratterizzazione di membrane osmotiche per Forward Osmosis e Pressure Retarded Osmosis 21
• 3 tipologie di membrane testate
• Indagine delle principali dipendenze
• Valutato gli effetti sulle grandezze fondamentali del processo
Risultato:
Ottime performance della membrana TFC della HTI
Tecnologia PRO è più vicina ad essere una valida alternativa per la produzione
di energia.
Sfide:
Necessità di uno scale-up per valutare il comportamento sotto pressione e la
variazione delle grandezze considerate

22. Author, Title 22
Nullius boni sine socio iucunda possessio est.
Nessuna cosa è bella da possedere se non si hanno amici con cui
condividerla.
Lucio Anneo Seneca