Date of Award

12-2021

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Chemical Engineering

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Ali H. Al-Marzouqi

Second Advisor

Bart Van der Bruggen

Third Advisor

Muftah El-Naas

Fourth Advisor

Mohamed Al-Marzouqi

Abstract

Brine management is an environmental concern, as many desalination plants need to find suitable approaches for the treatment or disposal of the large amounts of concentrated brine that are produced. Many conventional methods are used such as disposal through deep well injection, but these methods still suffer from many drawbacks. An alternative approach is to further process the brine by extracting the salts through reactions with carbon dioxide. The chemical reactions of reject brine with high alkalinity products and carbon dioxide are postulated to constitute a new, effective, economic and environmentally friendly approach. On the other hand, a major challenge of these approaches is the low salinity reduction of the treated brine which is in the range of 15-20%. Accordingly, there is an urgent need to develop a new process for the desalination of reject brine that improves the desalination efficiency. This PhD study proposes a new multi-stage desalination process to improve the reduction in brine salinity, capturing CO2 and recovering solids product of potential commercial values. In addition, a novel contact reactor system with different hydrodynamics is evaluated at different operation conditions using a computational fluid dynamics-based simulation model. The multi-stage process starts by the first stage where magnesium hydroxide is recovered from brine through reaction with ammonium hydroxide. Central composite design was used to obtain a magnesium recovery of 99% at a temperature of 15°C, brine salinity of 85 g/L, and a molar ratio of 4.4 NH3: 1 Mg. Before proceeding to the following stages, a new method for recovering ammonia from treated brine water was studied. This method is based on the recovery of ammonia using calcium oxide (CaO) in a closed electrocoagulation (EC) cell operating at a specific current density. A reduction in ammonia concentration of 99% was realized after ~9h of EC treatment. Generally, this process led to an ammonium ions recovery ~ 80% and energy reduction from 7.8 to 2.3 kWh/kg NH3 compared to conventional processes, which entail heating the Solvay effluents to 160°C. Afterwards, a new method for sulfate recovery from brine was tested. This method is based on CaO, barium hydroxide (Ba(OH)2), hydroxyethyl cellulose (HEC), and ladle furnace slag (LFS), which was separately added to brine at specific concentrations, in combination with EC at specific current densities. A high sulfate removal was achieved after 4 h of treatment. The sulfate removal efficiency reached up to 88% using HEC, 87% using LFS, and 98% using Ba(OH)2. In addition, the new method could result in an energy reduction of 40% from 14.12 kWh/kg SO42- to 8.45 kWh/kg SO42- compared with the conventional hybrid process.
The combined approach, which is an alternative method to recover ammonia and sulfate components in the same EC unit, was evaluated and optimized. Second order polynomial equations were proposed and used to predict the ammonia and sulfate removal. The maximum ammonia and sulfate removal levels were found to reach 99.5% and 96.0%, respectively, at CaO concentration of 3.5 g/100 ml, current density of 19.95 mA/cm2, temperature of 35°C and mixing rate of 0.76 R/s.
As intermediate stage, the Eulerian model coupled with the discrete phase model was used to demonstrate the effect of mixing particles at specific conditions on the gas and liquid velocities, gas and liquid volume distribution, and eddy viscosities stresses of the mixing particles. Statistical analysis was performed to obtain the optimal operating conditions. The optimal process variables for maximum gas holdup, contact surface area and mixing particles dispersion were as follows: feed gas velocity of 1.5 m/s, orifice diameter of 0.001 m, gas head of 0.2025 m, particle diameter of 0.01 m, and a particle load of 0.02 kg/liquid volume. Based on the previous investigations, a novel multi-stage technique is tested by passing the same brine through seven stages. In the first stage, recovery of magnesium ions is achieved, Then, in the 2nd stage, the ammoniated brine was treated based on the traditional Solvay process for sodium recovery and CO2 capturing. Furthermore, the EC process was used to recover the sulfate ions in a form of calcium sulfate and ammonium ions as ammonia gas, which was then dissolved in water to generate ammonium hydroxide in the 3rd stage. In the 4th stage, CaO was added to the treated brine according to the modified Solvay process for further sodium recovery and CO2 capturing. In the 5th stage, more sodium recovery was attained by the addition of ammonium bicarbonate while in the 6th stage, the treated brine mixture was passed through a second modified Solvay process. In the last stage, the treated brine was inserted to the second EC process to recover CaCl2 solution and NH3 compounds. The overall reduction of the entire process for, Na+, Ca2+, K+, and Cl- was 51%, 93.59 g, 79%, and 43.63%, respectively. Moreover, solid products from each stage were characterized using SEM, XRD, FTIR, and Raman spectroscopy. The products of each stage have diverse industrial applications.

Arabic Abstract


عملیة السولفاي المعدلة متعددة المراحل لاحتجاز ثاني أكسید الكربون وتحلیة المیاه المالحة

تعتبر إدارة المیاه المالحة من أھم المشاكل البیئیة ، حیث تحتاج العدید من محطات تحلیة المیاه إلى إیجاد طرق مناسبة لمعالجة أو التخلص من الكمیات الكبیرة من المحلول الملحي المركز التي یتم إنتاجھا. یتم استخدام العدید من الطرق التقلیدیة مثل التخلص من المیاه المالحة من خلال الحقن العمیق في داخل الارض، لكن ھذه الطرق لا تزال تعاني من العدید من السلبیات. ھناك طریقة بدیلة تتمثل في معالجة المحلول الملحي عن طریق استخلاص الأملاح من خلال تفاعلات مع ثاني أكسید الكربون. من المفترض أن تشكل التفاعلات الكیمیائیة لمحلول ملحي مع منتجات عالیة القلویة وثاني أكسید الكربون نھجاً جدیداً وفعالاً واقتصادیاً وصدیقاً للبیئة. من ناحیة أخرى، یتمثل التحدي الرئیسي لھذه الأسالیب في انخفاض نسبة تقلیل الملوحة والتي تتراوح ما بین 15 و 20 ٪. وبناءً علیه، ھناك حاجة ملحة لتطویر عملیة جدیدة لتحلیة المیاه المالحة بطریقة جدیدة تعمل على تحسین كفاءة تحلیة المیاه. تقترح دراسة الدكتوراه ھذه عملیة تحلیة جدیدة متعددة المراحل لتحسین تقلیل ملوحة المیاه المالحة، والتقاط ثاني أكسید الكربون واستعادة المواد الصلبة ذات القیمة التجاریة العالیة. بالإضافة إلى ذلك ، یتم تقییم نظام مفاعل تلامس جدید بدینامیكا مائیة مختلفة في ظروف تشغیل مختلفة باستخدام نموذج محاكاة حسابي قائم على دینامیكیات الموائع. تبدأ العملیة متعددة المراحل بالمرحلة الأولى حیث یتم استرداد ھیدروكسید المغنیسیوم من المحلول الملحي من خلال التفاعل مع ھیدروكسید الأمونیوم. قبل الشروع في المراحل التالیة ، تمت دراسة طریقة جدیدة لاستعادة الأمونیا من المیاه المالحة المعالجة. تعتمد ھذه الطریقة على استعادة الأمونیا باستخدام أكسید الكالسیوم CaO في خلیة التخثیر الكھربي المغلقة EC التي تعمل بكثافة تیار معینة. تم تحقیق انخفاض في تركیز الأمونیا بنسبة 99٪ بعد ~ 9 ساعات من معالجة. بالاضافة الى ذلك تم تقییم طریقة بدیلة لاستعادة مكونات الأمونیا والكبریتات. واقتراح معادلات كثیرة الحدود من الدرجة الثانیة واستخدامھا للتنبؤ بإزالة الأمونیا والكبریتات. كمرحلة وسیطة, تم تقییم عمل المفاعل المستخدم باستخدام نموذج Eulerian المقترن بنموذج الطور المنفصل لتوضیح تأثیر جزیئات الخلط في ظروف معینة على سرعات الغاز والسائل، وتوزیع حجم الغاز والسائل، وإجھادات لزوجة الدوامة لجزیئات الخلط. تم إجراء التحلیل الإحصائي للحصول على ظروف التشغیل المثلى. كانت متغیرات العملیة المثلى لأقصى توقف للغاز، ومساحة سطح التلامس، وتشتت جزیئات الخلط كما یلي: سرعة غاز التغذیة 1.5 م / ث، قطر الفتحة 0.001 م، رأس الغاز 0.2025 م، قطر الجسیمات 0.01 م، وكمیة الجسیمات المستخدمة 0.02 كجم / حجم السائل. بناءً على النتائج السابقة، یتم اختبار تقنیة جدیدة متعددة المراحل عن طریق تمریر نفس المحلول خلال سبع مراحل. في المرحلة الأولى، یتم استعادة أیونات المغنیسیوم، ثم في المرحلة الثانیة، تمت معالجة المحلول الملحي بالأمونیا على أساس عملیة Solvay التقلیدیة لاستعادة الصودیوم والتقاط ثاني أكسید الكربون. علاوة على ذلك، تم استخدام عملیة EC لاستعادة أیونات الكبریتات في صورة كبریتات الكالسیوم وأیونات الأمونیوم كغاز أمونیا ثم تتم إذابتھا في الماء لتولید ھیدروكسید الأمونیوم. في المرحلة الرابعة، تمت إضافة CaO إلى المحلول الملحي المعالج وفقاً لعملیة Solvay المعدلة لاستعادة المزید من الصودیوم والتقاط ثاني أكسید الكربون. في المرحلة الخامسة، تم تحقیق المزید من استخلاص الصودیوم عن طریق إضافة بیكربونات الأمونیوم بینما في المرحلة السادسة، تم تمریر خلیط المحلول الملحي المعالج من خلال عملیة Solvay المعدلة الثانیة. في المرحلة الأخیرة، تم إدخال المحلول الملحي المعالج في عملیة EC الثانیة لاستعادة محلول CaCl2 ومركبات NH3، تم تمییز المنتجات الصلبة من كل مرحلة باستخدام التحلیل الطیفي SEM وXRD وFTRI وRamen. بحیث یقترح تطبیقات صناعیة وبیئیة مختلفة بناءا على الخصائص المختلفة.

Download

Share

COinS