Optimization of a Combined Approach for the Treatment of Desalination Reject Brine and Capture of Co2

Ameera Fares Mohammad Mohammad

يعتبر غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) من أكثر الغازات الدفيئة (Greenhouse Gases) تأثيرا على ارتفاع دراجات الحرارة و التغيرات المناخية .تعتبر الطرق الحالية المستخدة لحبس غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2 Sequester) ذات عواقب بيئية كبيرة بالإضافة لحاجتها إلى مقدار هائل من الطاقة مما ادى الى البحث عن طرق مبتكرة لحصر ثاني أكسيد الكربون عن طريق التفاعل مع المياة المالحة المطروحة (Reject Brine) من وحدات تحلية المياه إعتمادا على طريقة سولفاي (Solvay Process) والتي تعتبر من الطرق الواعدة في تقليل تركيز غاز ثاني اكسيد الكربون في الغلاف الجوي. تشكل معالجة المياه المالحة المطروحة من وحدات تحلية المياه تحدي ا بيئيا مهما , حيث تحتاج وحدات تحلية المياه لطرق مناسبة لمعالجة أو حتى طرح كميات المياه الهائلة ذات تركيز الملح العالي جد ا . هناك العديد من الطرق التقليدية لمعالجة المياة المالحة مثل الحقن المباشر في الأبار (Well Injection) أو التخلص منها مباشرة عن طريق ضخها على مساحات واسعة من الأراضي (Land Disposal) أو بواسطة برك التبخير (Evaporation Ponds) . ولكن هذه الطرق ما زالت تعاني من العديد من الصعوبات. وتتم الطريقة البديلة المستخدمة للإستخلاص الأملاح من هذه المياه عبر تفاعلها مع غاز ثاني أكسيد الكربون. حيث تعتبر هذه الطريقة صديقة للبيئة بالإضافة الى أنها تنتج مادة كيميائية )كربونات الصوديوم( يمكن الاستفادة منها في كثير من التطبيقات الصناعية . الهدف من هذه الأطروحة هو تقييم عملية مبتكرة مستوحاه من عملية سولفاي والتي يتم من خلالها تمرير غاز ثاني أكسيد الكربون خلال محلول ملحي مضاف إليه الأمونيا، حيث يتفاعل كلوريد الصوديوم ليشكل راسب من بايكربونات الصوديوم و كلوريد الأمونيوم الذائب. و تتميزهذه العملية بفائدتان وهما تقليل تركيز الصوديوم في المياه المالحة المطروحة من وحدات تحلية المياه وتقليل إنبعاث غاز ثاني اكسيد الكربون الى الغلاف الجوي. كما تتناول الاطروحة دراسة المتغيرات التي تؤثر على فعالية حصر غاز ثاني اكسيد الكربون و تقليل viii تركيز الاملاح في مفاعل شبه دفعة واحدة (Semi-batch Reactor) . المتغيرات التي تمت دراستها هي كالتالي : النسبة الكمية (Molar Ratio) بين الأمونيا وكلوريد الصوديوم، زمن التفاعل، درجة الحرارة، معدل تدفق الغاز، والضغط داخل المفاعل. وبما أن بيكربونات الأمونيوم تعتبر عامل وسيط مهم في إنتاج بيكربونات الصوديوم، فقد تم أيضا دراسة تاثيرها خلال العملية. أهم نتائج هذه الدراسة تحديد الظروف الأمثل اللازمة للحصول على أعلى فعالية لحصر غاز ثاني أكسيد الكربون وتقليل تركيز الاملاح بواسطة إستخدام طريقة إستجابة السطح (Response Surface Methodology) . بالإضافة إلى ذلك تمت دراسة العملية المستمرة (Continuous Process) عند معدلات تدفق سائل مختلفة. وتم تحديد الظروف الأمثل (Optimum Conditions) للعملية المستمرة بإجراء تجارب لفترة زمنية طويلة. و قد تم الحصول على أعلى إزالة للصويوديوم بنسبة % 33 .. وأفضل فعالية حصر لغاز ثاني أكسيد الكربون بنسبة % .. 68 عند درجة حرارة . 3.3 مئوية، ومعدل تدفق غاز 33511 ليتر لكل دقيقة، ونسبة كمية . 3. أمونيا لكل 3 من كلوريد الصوديوم. وفي العملية المستمرة كانت أعلى نسبة لازالة الأملاح عند معدل تدفق سائل 3.35 مليميتر لكل دقيقة ومعدل تدفق غاز 33511 ليتر لكل دقيقة بنسبة معدل تدفق غاز لسائل مساوية .. 3. حيث وصل التفاعل إلى حالة الإستقرار بعد 13 . دقيقة تقريبا وكانت فعالية حصر غاز ثاني أكسيد الكربون في 163 دقيقة تساوي 97.9% . النتائج تشير إلى إمكانية إستخدام طريقة سولفاي لحصر غاز ثاني أكسيد الكربون وتحلية المياه المالحة.

Abstract

Carbon dioxide (CO2) is the most widespread greenhouse gas that traps heat and raises the global temperature, contributing to climate change. Existing techniques to sequester carbon dioxide have numerous environmental concerns and usually require extensive amount of energy. New technologies and methods, such as reactions with desalination reject brine according to the Solvay process, offer a new hope for the reduction of carbon dioxide concentration in the atmosphere. Brine management is another environmental concern, as many desalination plants need to find suitable approaches for the treatment or disposal of the large amounts of concentrated brine, resulting from the desalination processes. Many conventional methods are used such as disposal through deep well injection, land disposal and evaporation ponds. However these methods still suffer from many drawbacks. An alternative approach is to further process the brine to extract all the salts through reactions with carbon dioxide. This has the advantages of being environmental friendly and can produce valuable carbonate chemicals. The present work evaluates the Solvay process where carbon dioxide is passed into ammoniated brine and reacts with sodium chloride to form a precipitate of sodium bicarbonate and a soluble ammonium chloride. The process has the dual benefit of decreasing sodium concentration in the reject brine and reducing carbon dioxide emissions to the atmosphere. Process parameters were studied in a semi-batch reactor to determine their effect on CO2 capture efficiency and ions removal. These parameters included: ammonia to sodium chloride molar ratio, reaction time, temperature, gas flow rate, and pressure. Since ammonium bicarbonate is another vi important intermediate in the formation of sodium bicarbonate, its effect on ions removal was evaluated. The optimum conditions for maximum CO2 capture efficiency and ions removal have been determined using response surface methodology (RSM). In addition, continuous Solvay process has been studied at different liquid residence time. The optimum conditions for continuous Solvay process have also been evaluated for long experimental runs. In the semi-batch mode, the highest sodium removal of 33.0 % and the best CO2 capture of 86.2 % were obtained under specific conditions. The optimum CO2 capture efficiency and ions removal was found to be at temperature of 19.3oC, gas flow rate of 1.544 L/min, and 3.3NH3:1NaCl molar ratio. In the continuous Solvay process maximum ions removal were found at gas and liquid flow rates of 1.544 L/min and 12.5 ml/min, respectively, with a gas-to-liquid ratio of 123, and the reaction reached the steady state after 240 min; the CO2 capture efficiency in 480 min was equal to 97.9% and maximum sodium removal was 32.5%. These results indicated the technical feasibility of the Solvay approach for the capture of CO2 and management of desalination reject brine.