Date of Award

5-2022

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

Mohammednoor Al Tarawneh

Fourth Advisor

Muftah El-Naas

Abstract

While desalination of seawater is important for meeting the water demand, the technology produces large volumes of reject brine and CO2, causing environmental pollution. Solvay process (based on ammonia, NH3) and modified Solvay process (based on calcium oxide, CaO) try to manage these wastes. However, more attention is needed to overcome different limitations of these processes such as, alkaline solubility, operating temperature, maintaining high pH value, and low sodium (Na+) removal efficiency, which does not exceed 35%. The aim of this work is to introduce an alternative alkaline, namely potassium hydroxide (KOH) and investigate its ability to overcome these limitations. A preliminary study was conducted to compare the effectiveness of KOH with that of CaO. All experiments were conducted in a novel inert particle spouted bed reactor. It was observed that KOH entails very high solubility and maintains a high level of pH in comparison with CaO. In addition, the combined reaction was more spontaneous in case of the KOH. Further investigations were carried out to optimize the operating conditions using response surface methodology (RSM) analysis. Under a 10°C temperature, 2.1 barg gauge pressure, 848.5 ml/min CO2 gas flow rate, 110 g/l KOH concentration, a maximum CO2 uptake of 0.58 g/g KOH, maximum Na+ removal of 44.1%, chloride (Cl−) removal of 40.1%, and almost 100% calcium (Ca2+) and magnesium (Mg2+) removal was achieved. The characterization of the collected solids revealed production of valuable products, particularly sodium bicarbonate (NaHCO3), potassium bicarbonates (KHCO3), Magnesium hydroxide (Mg(OH)2), calcium carbonate (CaCO3) and potassium chloride (KCl). The conventional process is preferred to be operated under low temperatures (10-20°C), whereas reject brine is usually discharged from desalination plants at relatively high temperatures (40–55°C). Therefore, the proposed process was optimized to investigate the ability of KOH to reduce brine salinity at high temperatures. The results demonstrated that a good CO2 uptake of 0.50 g CO2/g KOH and maximum Na+ reduction of 45.6% were obtained at a gauge pressure of 2 bar, gas flowrate of 776 ml/min, and KOH concentration of 30 g/l, and at high temperature of 50°C. These optimal conditions were then adopted to investigate the reaction kinetics. A near first-order overall reaction rate with respect to CO2 concentration was established, whereby the reaction rate constant (k) was ~ 0.0003 mol/l. min. Multi-stage treatment process was examined to achieve an additional reduction in ions removal. Three different methods were investigated. The first method evaluated the effectiveness of adding ammonium bicarbonate (NH4HCO3) in reducing NaHCO3 solubility. The Na+ and Cl− concentrations were reduced by 56.2% and 40%, respectively. In the second method, the addition of extra KOH in subsequent stages was investigated. There was an ~47.3% improvement in CO2 uptake as compared to the first method. Furthermore, the percentages of Na+ and Cl− removal were increased to 65% and 64.5%, respectively. In the third method, the recovery of Ca2+ and Mg2+ were approximately 76.3% and 94.6%, respectively, following the pre-treatment step (filtration). Reducing these ions decreased the competitive reactions, resulting in higher cumulative CO2 uptake from all stages to 108.2 g CO2/1000 ml, which was 8.3% more than the second method. Finally, the dynamic behaviour of the reactor was evaluated using step changes in the inlet gas and liquid flow rates. The results are promising in terms of the reactor system’s adaptability to large-scale processes.

Arabic Abstract


تفاعل السولفاي المعدل (Modified Solvay Process) المبني علي هيدروكسيد البوتاسيوم (potassium hydroxide, KOH): دراسات التحسين والحركية (Kinetics)

بما أن تحلية مياه البحر مهمة لتلبية الطلب علي المياه، فإن التكنولوجيا المستخدمة تنتج كميات كبيرة من المحلول الملحي (مياه عالية الملوحة) و CO2 أيضاً، مسبباً تلوث بيئي. تفاعل السولفاي (Solvay Process) المبني علي الأمونيا (ammonia, NH3) وتفاعل السولفاي المعدل المبني على أكسيد الكالسيوم (calcium oxide, CaO) تحاول التحكم في تلك الملوثات. ومع ذلك، المزيد من الاهتمام مطلوب للتغلب على القيود المختلفة لتلك التفاعلات مثل الذائبية القلوية، درجة حرارة التشغيل، الحفاظ على قيمة عالية لدرجة الحموضة وكفاءة إنخفاض تركيز الصوديوم (sodium, Na+)، الذي لا يتجاوز 35%. الهدف من هذه الدراسة هو تسليط الضوء والتعريف بإستخدام مركب قلوي بديل، وهو هيدروكسيد البوتاسيوم (potassium hydroxide, KOH) والتحقيق في قدرته على التغلب على تلك القيود. أجريت دراسة أولية لمقارنة فعالية هيدروكسيد البوتاسيوم مع فعالية أكسيد الكالسيوم. أجريت جميع التجارب في (a novel inert particle spouted bed reactor). وقد لوحظ أن هيدروكسيد البوتاسيوم يستلزم ذوبانية عالية جدًاً ويحافظ على مستوى عالٍ من درجة الحموضة مقارنةً بأكسيد الكالسيوم. بالإضافة إلى ذلك، كان التفاعل المشترك أكثر تلقائية في حالة هيدروكسيد البوتاسيوم. تم إجراء المزيد من البحث لتحسين شروط التفاعل بإستخدام طريقة (RSM). عند درجة 10 درجات مئوية، قياس ضغط 2.1 بار، معدل تدفق الـCO2 848.5 مل/دقيقة، تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم 110 جم / لتر، الحد الأقصى لإمتصاص الـCO2 بلغ 0.58 جم/جم هيدروكسيد البوتاسيوم، والحد الأقصي لإزالة الـNa+ %44.1، وإزالة الكلوريد (chloride, Cl-) 40.1%، وتم إزالة الكالسيوم (calcium Ca+2) والماغنيسيوم (magnesium, Mg+2) بنحو %100. تحليل المنتجات الصلبة أظهر إنتاج مواد قيمة، وخاصة بيكربونات الصوديوم (sodium bicarbonate, NaHCO3) وبيكربونات البوتاسيوم (potassium bicarbonates, KHCO3)، وكلوريد البوتاسيوم (potassium chloride, KCl). يفضل تشغيل العملية التقليدية عند درجات حرارة منخفضة (10 إلى 20 درجة مئوية)، في حين يتم تفريغ المحلول الملحي (reject brine) من محطات التحلية عادة عند درجات حرارة عالية نسبياً (40 إلى 55 درجة مئوية). ولذلك، تم تحسين التفاعل المقترح للتحقق من قدرة هيدروكسيد البوتاسيوم على تقليل تركيز المحلول الملحي (brine salinity) عند درجات الحرارة العالية بإستخدام طريقة (CCD-RSM). أظهرت النتائج أن إمتصاصاً جيداً للـ CO2يبلغ 0.50 CO2لكل جم هيدروكسيد البوتاسيوم والحد الأقصى لتقليل الـ Na+هو %45.6 عند مقياس ضغط 2 بار، وتدفق غاز 776 مل / دقيقة، وتركيز هيدروكسيد البوتاسيوم هو 30 جم / لتر، وعند درجة حرارة عالية تبلغ 50 درجة مئوية. ومن ثم، تم تطبيق شروط التفاعل المُحسَّنة تلك للتحقق من حركية التفاعل (reaction kinetics). تم تحديد أول معدل تفاعل كلي مع الحفاظ علي تركيز الـ CO2، حيث كان ثابت معدل التفاعل (k) تقريباً (0.0003 mol/l. min). تم تقييم المعالجة متعددة المراحل لتحقيق انخفاض إضافي في التخلص من الأيونات. تم التحقيق في ثلاث طرق مختلفة. قيمت الطريقة الأولى فعالية إضافة بيكربونات الأمونيوم (ammonium bicarbonate, NH4HCO3) في تقليل ذوبانية الـNaHCO3 . تركيز كلا من الـ Na+ و Cl- قل بنسبة 56.2% و 40% علي التوالي. في الطريقة الثانية، تم التحقق من إضافة المزيد من هيدروكسيد البوتاسيوم في المراحل اللاحقة. كان هناك نسبة تحسن تقريبا 47.3% في إمتصاص الـ CO2عن الطريقة الأولى. علاوة على ذلك، زادت نسبة التخلص من كلا من الـ Na+و Cl- إلى 65% و%64.5 علي التوالي. في الطريقة الثالثة، كان معدل إسترداد كلا من الـ Ca+2و Mg+2 تقريباً %76.3 و94.6% على التوالي، بعد خطوة المعالجة المسبقة (filtration). أدى تقليل هذه الأيونات إلى تقليل التفاعلات التنافسية، مما أدى إلى معدل إمتصاص تراكمي أعلي من جميع المراحل إلى (108.2 g CO2/1000 ml)، وهو ما يزيد بنسبة 8.3% عن الطريقة الثانية. أخيراً، تم تقييم السلوك الديناميكي للمفاعل بإستخدام تغييرات مرحلية في معدل تدفق الغاز والسائل. النتائج واعدة من حيث قابلية الـ(reactor system) لتفاعلات ذات مقياس كبير.

Download

Share

COinS