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.

Key words： membrane distillation crystallization; mathematics model; nucleation; separation; hybrid process

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).

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