Progress in membrane distillation crystallization: Process models, crystallization control and innovative applications

Abstract

Membrane distillation crystallization (MDC) is a promising hybrid separation process that has been applied to seawater desalination, brine treatment and wastewater recovery. In recent years, great progress has been made in MDC technologies including the promotion of nucleation and better control of crystallization and crystal size distribution. These advances are useful for the accurate control of the degree of supersaturation and for the control of the nucleation kinetic processes. This review focuses on the development of MDC process models and on crystallization control strategies. In addition, the most important innovative applications of MDC in the last five years in crystal engineering and pharmaceutical manufacturing are summarized.

Graphical abstract

Keywords

membrane distillation crystallization / mathematics model / nucleation / separation / hybrid process

References

[1] Sha Z L, Yin Q X, Chen J X. Industrial crystallization: Trends and challenges. Chemical Engineering & Technology, 2013, 36(8): 1286–1286

[2] Gong J, Wang Y, Du S, Dong W, Yu B, Wu S, Hou J, Wang J. Industrial crystallization in china. Chemical Engineering & Technology, 2016, 39(5): 807–814

[3] Kiani H, Sun D W. Water crystallization and its importance to freezing of foods: A review. Trends in Food Science & Technology, 2011, 22(8): 407–426

[4] Chandrapala J, Oliver C M, Kentish S, Ashokkumar M. Use of power ultrasound to improve extraction and modify phase transitions in food processing. Food Reviews International, 2013, 29(1): 67–91

[5] Casado-Coterillo C, Soto J T, Jimaré M, Valencia S, Corma A, Téllez C, Coronas J. Preparation and characterization of ITQ-29/polysulfone mixed-matrix membranes for gas separation: Effect of zeolite composition and crystal size. Chemical Engineering Science, 2012, 73: 116–122

[6] Narducci O, Jones A G. Seeding in situ the cooling crystallization of adipic acid using ultrasound. Crystal Growth & Design, 2012, 12(4): 1727–1735

[7] Lakerveld R, Verzijden N G, Kramer H, Jansens P, Grievink J. Application of ultrasound for start-up of evaporative batch crystallization of ammonium sulfate in a 75-L crystallizer. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2011, 57(12): 3367–3377

[8] Nguyen T N P, Kim K J. Transformation of hemipentahydrate to monohydrate of risedronate monosodium by seed crystallization in solution. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2011, 57(12): 3385–3394

[9] Soare A, Dijkink R, Pascual M R, Sun C, Cains P W, Lohse D, Stankiewicz A I, Kramer H J M. Crystal nucleation by laser-induced cavitation. Crystal Growth & Design, 2011, 11(6): 2311–2316

[10] Alkhudhiri A, Darwish N, Hilal N. Membrane distillation: A comprehensive review. Desalination, 2012, 287: 2–18

[11] Edwie F, Chung T S. Development of simultaneous membrane distillation–crystallization (SMDC) technology for treatment of saturated brine. Chemical Engineering Science, 2013, 98: 160–172

[12] Onsekizoglu B P. Potential of membrane distillation for production of high quality fruit juice concentrate. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2015, 55(8): 1098–1113

[13] Ji X, Curcio E, Al Obaidani S, Di Profio G, Fontananova E, Drioli E. Membrane distillation-crystallization of seawater reverse osmosis brines. Separation and Purification Technology, 2010, 71(1): 76–82

[14] Susanto H. Towards practical implementations of membrane distillation. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2011, 50(2): 139–150

[15] Lu D, Li P, Xiao W, He G, Jiang X. Simultaneous recovery and crystallization control of saline organic wastewater by membrane distillation crystallization. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2016, 63(6): doi:10.1002/aic.15581

[16] Creusen R J M, van Medevoort J, Roelands C P M, van Renesse van Duivenbode J A D. Brine treatment by a membrane distillation-crystallization (MDC) process. Procedia Engineering, 2012, 44: 1756–1759

[17] Meng S, Hsu Y C, Ye Y, Chen V. Submerged membrane distillation for inland desalination applications. Desalination, 2015, 361: 72–80

[18] Drioli E, Di Profio G, Curcio E. Progress in membrane crystallization. Current Opinion in Chemical Engineering, 2012, 1(2): 1–5

[19] Ji Z, Wang J, Yin Z, Hou D, Luan Z. Effect of microwave irradiation on typical inorganic salts crystallization in membrane distillation process. Journal of Membrane Science, 2014, 455: 24–30

[20] Kim J H, Park S H, Lee M J, Lee S M, Lee W H, Lee K H, Kang N R, Jo H J, Kim J F, Drioli E, . Thermally rearranged polymer membranes for desalination. Energy & Environmental Science, 2016, 9(3): 878–884

[21] Gianluca Di Profio E C, Serena F, Carmen S, Enrico D. Effect of supersaturation control and heterogeneous nucleation on porous membrane surfaces in the crystallization of L-glutamic acid polymorphs. Crystal Growth & Design, 2009, 9(5): 2179–2186

[22] Kuhn J, Lakerveld R, Kramer H J M, Grievink J, Jansens P J. Characterization and dynamic optimization of membrane-assisted crystallization of adipic acid. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(11): 5360–5369

[23] Wang P, Chung T S. Recent advances in membrane distillation processes: Membrane development, configuration design and application exploring. Journal of Membrane Science, 2015, 474: 39–56

[24] Tijing L D, Woo Y C, Choi J S, Lee S, Kim S H, Shon H K. Fouling and its control in membrane distillation — A review. Journal of Membrane Science, 2015, 475: 215–244

[25] Warsinger D M, Swaminathan J, Guillen-Burrieza E, Arafat H A, Lienhard V J H. Scaling and fouling in membrane distillation for desalination applications: A review. Desalination, 2015, 356: 294–313

[26] Zhang Y, Peng Y, Ji S, Li Z, Chen P. Review of thermal efficiency and heat recycling in membrane distillation processes. Desalination, 2015, 367: 223–239

[27] Pantoja C E, Nariyoshi Y N, Seckler M M. Membrane distillation crystallization applied to brine desalination: A hierarchical design procedure. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(10): 2776–2793

[28] Srisurichan S, Jiraratananon R, Fane A. Mass transfer mechanisms and transport resistances in direct contact membrane distillation process. Journal of Membrane Science, 2006, 277(1-2): 186–194

[29] Khayet M. Membranes and theoretical modeling of membrane distillation: A review. Advances in Colloid and Interface Science, 2011, 164(1-2): 56–88

[30] Anisi F, Thomas K M, Kramer H J M. Membrane-assisted crystallization: Membrane characterization, modelling and experiments. Chemical Engineering Science, 2017, 158: 277–286

[31] Koo J, Lee S, Choi J S, Hwang T M. Theoretical analysis of different membrane distillation modules. Desalination and Water Treatment, 2014, 54(4-5): 862–870

[32] Chen G, Lu Y, Krantz W B, Wang R, Fane A G. Optimization of operating conditions for a continuous membrane distillation crystallization process with zero salty water discharge. Journal of Membrane Science, 2014, 450: 1–11

[33] Shirazi M M A, Kargari A, Ismail A F, Matsuura T. Computational fluid dynamic (CFD) opportunities applied to the membrane distillation process: State-of-the-art and perspectives. Desalination, 2016, 377: 73–90

[34] You W T, Xu Z L, Dong Z Q, Zhang M. Vacuum membrane distillation-crystallization process of high ammonium salt solutions. Desalination and Water Treatment, 2015, 55(2): 368–380

[35] Cuellar M C, Herreilers S N, Straathof A J J, Heijnen J J, van der Wielen L A M. Limits of operation for the integration of water removal by membranes and crystallization of l-phenylalanine. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(3): 1566–1573

[36] Rubbo M. Basic concepts in crystal growth. Crystal Research and Technology, 2013, 48(10): 676–705

[37] Kashchiev D, van Rosmalen G M. Review: Nucleation in solutions revisited. Crystal Research and Technology, 2003, 38(78): 555–574

[38] Mark Roelands C P. Joop H ter Horst, Herman J M K, Jansens P J. Analysis of nucleation rate measurements in precipitation processes. Crystal Growth & Design, 2006, 6(6): 1380–1392

[39] Guan G, Wang R, Wicaksana F, Yang X, Fane A G. Analysis of membrane distillation crystallization system for high salinity brine treatment with zero discharge using Aspen flowsheet simulation. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(41): 13405–13413

[40] Chen G, Lu Y, Yang X, Wang R, Fane A G. Quantitative study on crystallization-induced scaling in high-concentration direct-contact membrane distillation. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(40): 15656–15666

[41] Vetter T, Iggland M, Ochsenbein D R, Hänseler F S, Mazzotti M. Modeling nucleation, growth, and Ostwald ripening in crystallization processes: A comparison between population balance and kinetic rate equation. Crystal Growth & Design, 2013, 13(11): 4890–4905

[42] Efrem C, Enrica F, Gianluca Di P, Drioli E. Influence of the structural properties of poly(vinylidene fluoride) membranes on the heterogeneous nucleation rate of protein crystals. Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(25): 12438–12445

[43] Jiang X, Lu D, Xiao W, Ruan X, Fang J, He G. Membrane assisted cooling crystallization: Process model, nucleation, metastable zone, and crystal size distribution. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2016, 62(3): 829–841

[44] Francis L, Ghaffour N, Al-Saadi A S, Amy G. Performance of different hollow fiber membranes for seawater desalination using membrane distillation. Desalination and Water Treatment, 2014, 55(10): 2786–2791

[45] Yu W, Graham N, Yang Y, Zhou Z, Campos L C. Effect of sludge retention on UF membrane fouling: The significance of sludge crystallization and EPS increase. Water Research, 2015, 83: 319–328

[46] He X, Hägg M B. Structural, kinetic and performance characterization of hollow fiber carbon membranes. Journal of Membrane Science, 2012, 390-391: 23–31

[47] Edwie F, Chung T S. Development of hollow fiber membranes for water and salt recovery from highly concentrated brine via direct contact membrane distillation and crystallization. Journal of Membrane Science, 2012, 421-422: 111–123

[48] Nakoa K, Date A, Akbarzadeh A. A research on water desalination using membrane distillation. Desalination and Water Treatment, 2014, 56(10): 2618–2630

[49] Boucif N, Roizard D, Corriou J P, Favre E. To what extent does temperature affect absorption in gas-liquid hollow fiber membrane contactors? Separation Science and Technology, 2014, 50(9): 1331–1343

[50] Al Obaidani S, Curcio E, Di Profio G, Drioli E. The role of membrane distillation/crystallization technologies in the integrated membrane system for seawater desalination. Desalination and Water Treatment, 2012, 10(1-3): 210–219

[51] Li W, Van der Bruggen B, Luis P. Integration of reverse osmosis and membrane crystallization for sodium sulphate recovery. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2014, 85: 57–68

[52] Hasanoğlu A, Rebolledo F, Plaza A, Torres A, Romero J. Effect of the operating variables on the extraction and recovery of aroma compounds in an osmotic distillation process coupled to a vacuum membrane distillation system. Journal of Food Engineering, 2012, 111(4): 632–641

[53] Quist-Jensen C A, Ali A, Mondal S, Macedonio F, Drioli E. A study of membrane distillation and crystallization for lithium recovery from high-concentrated aqueous solutions. Journal of Membrane Science, 2016, 505: 167–173

[54] Pantoja C E, Nariyoshi Y N, Seckler M M. Membrane distillation crystallization applied to brine desalination: Additional design criteria. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, 55(4): 1004–1012

[55] Pangarkar B L, Sane M G, Parjane S B, Guddad M. Status of membrane distillation for water and wastewater treatment — A review. Desalination and Water Treatment, 2013, 52(28-30): 5199–5218

[56] Kim Y J, Jung J, Lee S, Sohn J. Modeling fouling of hollow fiber membrane using response surface methodology. Desalination and Water Treatment, 2014, 54(4-5): 966–972

[57] Duong H C, Cooper P, Nelemans B, Cath T Y, Nghiem L D. Optimising thermal efficiency of direct contact membrane distillation by brine recycling for small-scale seawater desalination. Desalination, 2015, 374: 1–9

[58] Camacho L, Dumée L, Zhang J, Li J D, Duke M, Gomez J, Gray S. Advances in membrane distillation for water desalination and purification applications. Water (Basel), 2013, 5(1): 94–196

[59] Boubakri A, Hafiane A, Al Tahar Bouguecha S. Nitrate removal from aqueous solution by direct contact membrane distillation using two different commercial membranes. Desalination and Water Treatment, 2014, 56(10): 2723–2730

[60] Feng X, Jiang L Y, Song Y. Titanium white sulfuric acid concentration by direct contact membrane distillation. Chemical Engineering Journal, 2016, 285: 101–111

[61] Caridi A, Di Profio G, Caliandro R, Guagliardi A, Curcio E, Drioli E. Selecting the desired solid form by membrane crystallizers: Crystals or cocrystals. Crystal Growth & Design, 2012, 12(9): 4349–4356

[62] Byrne P, Fournaison L, Delahaye A, Oumeziane Y A, Serres L, Loulergue P, Szymczyk A, Mugnier D, Malaval J L, Bourdais R, . A review on the coupling of cooling, desalination and solar photovoltaic systems. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2015, 47: 703–717

[63] Meng S, Ye Y, Mansouri J, Chen V. Fouling and crystallisation behaviour of superhydrophobic nano-composite PVDF membranes in direct contact membrane distillation. Journal of Membrane Science, 2014, 463: 102–112

[64] Jiang X, Ruan X, Xiao W, Lu D, He G. A novel membrane distillation response technology for nucleation detection, metastable zone width measurement and analysis. Chemical Engineering Science, 2015, 134: 671–680

[65] Diao Y, Helgeson M E, Siam Z A, Doyle P S, Myerson A S, Hatton T A, Trout B L. Nucleation under soft confinement: Role of polymer-solute interactions. Crystal Growth & Design, 2012, 12(1): 508–517

[66] Curcio E, López-Mejías V, Di Profio G, Fontananova E, Drioli E, Trout B L, Myerson A S. Regulating nucleation kinetics through molecular interactions at the polymer-solute interface. Crystal Growth & Design, 2014, 14(2): 678–686

[67] Nguyen A T, Kang J, Kim W S. Noncommon ion effect on phase transformation of guanosine 5-monophosphate disodium in antisolvent crystallization. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(21): 5784–5792

[68] Yang Y, Nagy Z K. Combined cooling and antisolvent crystallization in continuous mixed suspension, mixed product removal cascade crystallizers: Steady-state and startup optimization. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(21): 5673–5682

[69] Zhou S, Zheng B, Shimotsuma Y, Lu Y, Guo Q, Nishi M, Shimizu M, Miura K, Hirao K, Qiu J. Heterogeneous-surface-mediated crystallization control. NPG Asia Materials, 2016, 8(3): e245

[70] Catherine C, Roland K, Denis M, Puel F. Coupling between membrane processes and crystallization operations. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(12): 5489–5495

[71] Chen D, Singh D, Sirkar K K, Pfeffer R. Porous hollow fiber membrane-based continuous technique of polymer coating on submicron and nanoparticles via antisolvent crystallization. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(19): 5237–5245

[72] Quist-Jensen C A, Macedonio F, Drioli E. Membrane crystallization for salts recovery from brine — an experimental and theoretical analysis. Desalination and Water Treatment, 2015,57(16): 7593–7603 

[73] Lu D, Li P, Xiao W, He G, Jiang X. Simultaneous recovery and crystallization control of saline organic wastewater by membrane distillation crystallization. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2016, 63(6): 2187–2197: 

[74] Drioli E, Di Profio G, Curcio E. Progress in membrane crystallization. Current Opinion in Chemical Engineering, 2012, 1(2): 178–182

[75] Turek M, Mitko K, Piotrowski K, Dydo P, Laskowska E, Jakóbik-Kolon A. Prospects for high water recovery membrane desalination. Desalination, 2017, 401: 180–189

[76] Yu X, Ulrich J, Wang J. Crystallization and stability of different protein crystal modifications: A case study of lysozyme. Crystal Research and Technology, 2015, 50(2): 179–187

[77] Studart A R. Towards high-performance bioinspired composites. Advanced Materials, 2012, 24(37): 5024–5044

[78] Bayerlein B, Zaslansky P, Dauphin Y, Rack A, Fratzl P, Zlotnikov I. Self-similar mesostructure evolution of the growing mollusc shell reminiscent of thermodynamically driven grain growth. Nature Materials, 2014, 13(12): 1102–1107

[79] Wegst U G, Bai H, Saiz E, Tomsia A P, Ritchie R O. Bioinspired structural materials. Nature Materials, 2015, 14(1): 23–36

[80] Hu Y, Chen Z, Fu Y, He Q, Jiang L, Zheng J, Gao Y, Mei P, Chen Z, Ren X. The amino-terminal structure of human fragile X mental retardation protein obtained using precipitant-immobilized imprinted polymers. Nature Communications, 2015, 6: 6634

[81] Vekilov P G. Nucleation of protein condensed phases. Reviews in Chemical Engineering, 2011, 27(1-2): 1–13

[82] Diao Y, Whaley K E, Helgeson M E, Woldeyes M A, Doyle P S, Myerson A S, Hatton T A, Trout B L. Gel-induced selective crystallization of polymorphs. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(1): 673–684

[83] Profio G D, Polino M, Nicoletta F P, Belviso B D, Caliandro R, Fontananova E, Filpo G D, Curcio E, Drioli E. Tailored hydrogel membranes for efficient protein crystallization. Advanced Functional Materials, 2014, 24(11): 1582–1590

[84] Di Profio G, Salehi S M, Caliandro R, Guccione P, Nico G, Curcio E, Fontananova E. Bioinspired synthesis of CaCO₃ superstructures through a novel hydrogel composite membranes mineralization platform: A comprehensive view. Advanced Materials, 2016, 28(4): 610–616

[85] Myerson A S, Trout B L. Nucleation from solution. Science, 2013, 341(6148): 855–856

[86] Giegé R. A historical perspective on protein crystallization from 1840 to the present day. FEBS Journal, 2013, 280(24): 6456–6497

Acknowledgements

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21527812, 21676043 and 21306017), Changjiang Scholars Program (T2012049), Education Department of the Liaoning Province of China (LT2015007) and Fundamental Research Funds for the Central Universities (DUT16TD19, DUT17DZ203).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany