ELECTRODIALYSIS PROCESS FOR THE SIMULTANEOUS TREATMENT OF REJECT BRINE AND CAPTURE OF CARBON DIOXIDE
Date of Award
5-2023
Document Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Chemical Engineering
Department
Chemical Engineering
First Advisor
Ali H. Al-Marzouqi
Second Advisor
Bart Van der Bruggen
Third Advisor
Nayef Ghasem
Fourth Advisor
Muftah El-Naas
Abstract
Desalination plants are highly efficient in producing desalinated water for potable applications. However, the process also generates reject brine, which is highly concentrated saline water. In order to produce 1 liter of potable water using desalination, approximately 1.5 liters of reject brine is generated. The disposal of reject brine presents a significant challenge for the desalination industry. Typically, this waste product is discharged into the sea, causing environmental damage, and polluting marine life. Moreover, certain countries heavily rely on desalination to meet their potable water needs, which results in the emission of greenhouse gases. As desalination plants consume a significant amount of energy, they are often located near power stations, which leads to the release of large quantities of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere. In the Middle East, the desalination industry is responsible for the majority of CO2 emissions during the process. In the UAE, the total CO2 emissions from various desalination plants have been estimated at 15,846 tons per day. Conventional methods for managing CO2 and saline waste are associated with several drawbacks, including high energy consumption, high costs, limited sustainability, and low efficiency.
A novel process consisting of multi-chambered electrodialysis is proposed for desalination industries to manage the two pollutants (i.e., CO2 and saline waste) at the desalination facilities. This can efficiently manage these pollutants in a single set of reactions to produce value-added products such as hydrochloric acid, carbonates/bicarbonate salt mixture, and irrigation standard water. Electrically driven membranes: anion exchange membranes (AEM) and cation exchange membranes (CEM) are used to separate the compartments from each other. This electrodialytic process with the help of an external driving force, i.e., an electric field increases CO2 capture and enhances the separation of dissolved salts. To achieve the simultaneous treatment of the pollutants mentioned, two different electrodialysis configurations were designed, namely the batch circulation configuration and the bipolar membrane configuration. Membranes and equipment can be fouled by multivalent ions such as calcium, magnesium, and sulfate, and thus, they must be separated from reject brine streams. To accomplish this, the reject brine underwent pretreatment using a selective electrodialysis process. To comprehend the hydrodynamics and electrochemistry involved in the process, a 2D stationary and isothermal computational fluid dynamics (CFD) model was developed to analyze the transfer of ions in a multichambered rectangular electrodialysis process. The model was constructed by coupling Nernst-Planck equations with Navier-Stokes equations and was numerically solved using the finite element method. The model can predict local concentration, ionic flux, electrolyte potential, velocity distribution, and limiting current density for diluate, concentrate, and membranes. The batch circulation electrodialysis, bipolar membrane electrodialysis, and selective electrodialysis were separately analyzed using various parameters and optimized for maximum performance.
Arabic Abstract
عملية الفصل الغشائي الكهربائي للمعالجة المتزامنة لمياه التحلية المرتجعة والتقاط ثاني أكسيد الكربون
محطات تحلية المياه ذات كفاءة عالية في إنتاج المياه المحلاة للتطبيقات الصالحة للشرب. ومع ذلك، فإن العملية تولد أيضا محلول ملحي مرفوض، وهو ماء مالح عالي التركيز. تجدر الإشارة إلى أنه لإنتاج 1 لتر من المياه الصالحة للشرب باستخدام تحلية المياه، يتم توليد ما يقرب من 1.5 لتر من المياه المالحة المرتجعة. يمثل التخلص من المياه شديدة الملوحة المرتجعة تحديا كبيرا لصناعة تحلية المياه. عادة، يتم تصريف منتج النفايات هذا في البحر، مما يتسبب في أضرار بيئية وتلويث الكائنات البحرية. علاوة على ذلك، تعتمد بعض البلدان بشكل كبير على تحلية المياه لتلبية احتياجاتها من مياه الشرب، مما يؤدي إلى انبعاث غازات الدفيئة نظرا لأن محطات تحلية المياه تستهلك كمية كبيرة من الطاقة، فإنها غالبا ما تقع بالقرب من محطات الطاقة، مما يؤدي إلى إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون (CO2) في الغلاف الجوي. في الشرق الأوسط، تعتبر صناعة تحلية المياه مسؤولة عن غالبية انبعاثات CO2 أثناء العملية في دولة الإمارات العربية المتحدة، يقدر إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من محطات تحلية المياه المختلفة بنحو 15,846 طنا يوميا. ترتبط الطرق التقليدية لإدارة CO2 والنفايات المالحة بالعديد من العيوب، بما في ذلك ارتفاع استهلاك الطاقة، وارتفاع التكاليف، والاستدامة المحدودة، والكفاءة المنخفضة.
تم اقتراح عملية جديدة تتكون من فصل غشائي الكهربي متعدد الغرف الصناعات تحلية المياه لإدارة الملوثين (ثاني أكسيد الكربون والنفايات المالحة) في مرافق تحلية المياه. يمكن لهذا إدارة هذه الملوثات بكفاءة في مجموعة واحدة من التفاعلات لإنتاج منتجات ذات قيمة مضافة مثل حمض الهيدروكلوريك، وخليط ملح الكربونات / البيكربونات ، ومياه الري مطابق للمعايير الأغشية التي تعمل بالكهرباء تستخدم أغشية تبادل الأنيون (AEM) وأغشية التبادل الكاتيوني (CEM) لفصل المقصورات عن بعضها البعض. هذه العملية الكهربائية بمساعدة القوة الدافعة الخارجية، أي المجال الكهربائي يزيد من التقاط CO2 ويعزز فصل الأملاح الذائبة. لتحقيق المعالجة المتزامنة للملوثات المذكورة، تم تصميم تكوينين مختلفين لفصل غشائي الكهربائي، وهما دوران الدفعات والغشاء ثنائي القطب. يمكن أن تتلف الأغشية والمعدات بواسطة أيونات متعددة التكافؤ مثل الكالسيوم والمغنيسيوم والكبريتات، وبالتالي، يجب فصلها عن تيارات المياه المالحة المرتجعة. لتحقيق ذلك، خضع محلول ملحي مرفوض للمعالجة المسبقة باستخدام عملية فصل غشائي كهربية انتقائية لفهم الديناميكا المائية والكيمياء الكهربائية المشاركة في العملية، تم تطوير نموذج ديناميكيات الموائع الحسابية الثابتة والمتساوية الحرارة (CFD) لتحليل نقل الأيونات في عملية غسيل كهربية مستطيلة متعددة الغرف. تم بناء النموذج عن طريق اقتران معادلات نيرنست بلانك بمعادلات نافير ستوكس وتم حلها عدديا باستخدام طريقة العناصر المحدودة. يمكن للنموذج التنبؤ بالتركيز المحلي، والتدفق الأيوني وإمكانات الإلكتروليت، وتوزيع السرعة، والحد من كثافة التيار للتخفيف والتركيز والأغشية. تم تحليل فصل غشائي الكهربائي للدوران الدفعي، وفصل غشائي الكهربائي ثنائي القطب، و فصل غشائي الكهربائي الانتقائي بشكل منفصل باستخدام متغيرات مختلفة وتحسينها لتحقيق أقصى أداء.
Recommended Citation
Mustafa, Jawad, "ELECTRODIALYSIS PROCESS FOR THE SIMULTANEOUS TREATMENT OF REJECT BRINE AND CAPTURE OF CARBON DIOXIDE" (2023). Dissertations. 332.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_dissertations/332
