Date of Award

5-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Water Science

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Munjed Maraqa

Second Advisor

Dr. Sameer Al-Asheh

Abstract

The objective of this study was to investigate the effect of using ultrasound on water flux through forward osmosis membrane when applied for seawater desalination. A synthetically prepared solution simulating seawater characteristics was used. Parameters considered in the investigation included membrane cross-flow velocity (0.25 and 1.0 cm/s), flow configuration (co-current versus counter-current), direction of ultrasound waves relative to the membrane side (active layer versus support layer), and type of draw solution (NaCl versus MgCl2). Furthermore, a two-level factorial design was considered in the analysis of the results obtained from the experimental work. This study revealed that applying a continuous ultrasound frequency of 40 kHz was effective in enhancing water flux especially when the ultrasound source faces the membrane active layer, irrespective of the used draw solution. The highest water flux enhancement (70.8% with NaCl draw solution and 61.9% with MgCl2 draw solution) occurred at the lower cross-flow velocity and with the ultrasound waves facing the membrane active layer. It was also observed that the use of ultrasound generally caused an adverse effect on the water flux when the ultrasound waves faced the membrane support layer. Moreover, applying the ultrasound at the membrane support layer increased the reverse solute flux. For all the tested cases, higher water flux enhancement was observed with NaCl as a draw solution compared to the cases when MgCl2 was used as a draw solution. Based on the factorial design analysis, cross-flow velocity and use of ultrasound have a positive effect on water flux enhancement for both draw solutions. It was also observed that the use of ultrasound generally caused an adverse effect on the water flux when the ultrasound waves faced the membrane support layer. Moreover, applying the ultrasound at the membrane support layer increased the reverse solute flux. For all the tested cases, higher water flux enhancement was observed with NaCl as a draw solution compared to the cases when MgCl2 was used as a draw solution. Based on the factorial design analysis, cross-flow velocity and use of ultrasound have a positive effect on water flux enhancement for both draw solutions. However, the velocity effect on water flux enhancement was more pronounced than that of the ultrasound. The effect of flow configuration was statistically insignificant for both draw solutions. The interaction effect between cross-flow velocity and ultrasound was statistically significant for both draw solutions. However, the interaction between cross-flow velocity and flow configuration was only significant for the case of MgCl2. The three-way interaction was insignificant for both draw solutions.

Arabic Abstract

تهدف هذه الدراسة لمعرفة مدى تأثير استخدام تقنية الموجات الفوق صوتية على كفاءة اغشية التناضح الأمامي من خلال كمية تدفق المياه عبر غشاء التناضح الأمامي عند تطبيقها في عملية تحلية مياه البحر. تم استخدام محلول معد صناعياً يحاكي خصائص مياه البحر. تضمنت العوامل التشغيلية التي تم أخذها في عين الاعتبار في هذه الدراسة سرعة تدفق الغشاء العرضية (0.25 و 1.0 سم/ثانية)، وتكوين التدفق (التيار المتوازي مقابل التيار المعاكس)، واتجاه الموجات فوق الصوتية بالنسبة إلى سطح الغشاء (الطبقة النشطة مقابل طبقة الدعم)، ونوع محلول السحب (كلوريد الصوديوم مقابل كلوريد المغنيسيوم). علاوة على ذلك، تم النظر في تصميم عاملي من مستويين في تحليل النتائج التي تم الحصول عليها من العمل التجريبي. أظهرت هذه الدراسة أن تطبيق تردد الموجات فوق الصوتية المستمر 40 كيلو هيرتز كان فعالاً في تعزيز تدفق الماء خاصة عندما يكون مصدر الموجات فوق الصوتية مواجها للطبقة النشطة من الغشاء، بغض النظر عن محلول السحب المستخدم. وجد ان أعلى تحسين لتدفق الماء عند سرعة التدفق العرضية المنخفضة ومع مواجهة الموجات فوق الصوتية للطبقة النشطة من الغشاء بنسب 70.8% لمحلول سحب كلوريد الصوديوم و 61.9 ٪ لمحلول كلوريد المغنيسيوم. وقد لوحظ أيضًا أن استخدام الموجات الفوق صوتية قد تسبب في احداث تأثير سلبي على تدفق المياه عندما يكون مصدر الموجات الفوق صوتية مواجها لطبقة دعم الغشاء. علاوة على ذلك، فإن تطبيق الموجات الفوق صوتية على طبقة دعم الغشاء زاد من التدفق العكسي لجزيئات المذاب. بالنسبة لجميع الحالات المختبرة، لوحظ تعزيز أعلى لتدفق الماء مع كلوريد الصوديوم كمحلول سحب مقارنة بالحالات التي تم فيها استخدام كلوريد المغنيسيوم. استنادًا إلى تحليل التصميم العاملي، يكون لسرعة التدفق العرضية واستخدام الموجات الفوق صوتية تأثير إيجابي على تحسين تدفق المياه لكل محلول من محاليل السحب المستخدمة. ومع ذلك، كان تأثير السرعة على تعزيز تدفق الماء أكثر وضوحا من تأثير الموجات الفوق صوتية. وجد ايضا ان تأثير تكوين التدفق غير مهم إحصائيا لكل من حلول السحب. كان التأثير المتداخل بين سرعة التدفق العرضية والموجات الفوق صوتية ذو دلالة إحصائية لكل محلول من محاليل السحب. ومع ذلك، كان التداخل بين سرعة التدفق العرضية وتكوين التدفق مهمًا من الناحية الاحصائية فقط في حالة كلوريد المغنيسيوم. أما التداخل ثلاثي الاتجاهات كان غير ذي أهمية لكلا محلولي السحب.

Download
COinS