THE SIGNIFICANCE OF MODELING ELECTRODIALYSIS DESALINATION USING MULTI-COMPONENT SALINE WATER

THE SIGNIFICANCE OF MODELING ELECTRODIALYSIS DESALINATION USING MULTI-COMPONENT SALINE WATER. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
EPrint_MS_Thesis_Generous.pdf
Restricted to Repository staff only until 24 December 2021.

Download (17MB)

Arabic Abstract

يتركز العمل على نمذجة التحلية الكهربائية (ED) لتحلية مياه البحر القياسية والمياه قليلة الملوحة كمحلول متعدد المكونات ومكافئ لكلوريد الصوديوم. تم تطوير نماذج ثنائية الأبعاد تم التحقق من صحتها تجريبياً بناءً على فصل الأيونات من خلال زوج خلية من ED. تم دمج معادلة Nernst-Planck مع معادلات Navier-Stokes لتنفيذ النمذجة باستخدام برنامج COMSOL. أظهرت النتائج أن النموذج متعدد المكونات مهم لفصل المياه معتدلة الملوحة المختارة ، في حين أنه ليس مهمًا لمياه البحر التي تم فحصها. يعد تحليل توليد الانتروبيا أداة مهمة لتقييم الخسائر التي لا رجعة فيها في نظام تحلية المياه بالكهرباء. يتم تنفيذ نهج قائم على exergy لحساب أقصى معدلات توليد الإنتروبيا الممكنة. حسبت الدراسة الحالية معدلات توليد عالية من الانتروبيا (~ 20٪) بسبب استيعاب جيل الانتروبيا من جميع المصادر المساهمة. تتكون المياه الجوفية من أيونات وجذور أحادية التكافؤ وثنائية التكافؤ ، مثل Na ^ + Na^+, Cl^-, Mg^(2+), SO_4^(2-) , Ca^(2+), ، و HCO_3^-. لذلك ، من الضروري إجراء تحليل توليد الإنتروبيا أيضًا باستخدام مكونات متعددة بدلاً من محلول كلوريد الصوديوم الثنائي التقليدي. لقد وجد أن المياه معتدلة الملوحة متعددة المكونات لها معدلات توليد إنتروبيا أقل بالمقارنة مع حالات محلول كلوريد الصوديوم المكافئ. يُعزى الاختلاف إلى الإمكانات الكيميائية الأعلى المرتبطة بمعظم الأيونات ثنائية التكافؤ. كما تم إجراء ومقارنة التحليل التقني-الاقتصادي لمحطات التحلية الكهربائية (ED) والتناضح العكسي (RO). وجد أن الضعف الجنسي يكون مجدي اقتصاديا عندما تقل الملوحة عن 7 و 9 جزء من الألف مقارنة مع التناضح العكسي مع وبدون مبادل الضغط على التوالي.

English Abstract

The work is concentrated on electrodialysis (ED) desalination modeling of standard seawater and brackish water as a multi-component and equivalent NaCl solutions. Experimentally validated two-dimensional models are developed based on ions separation through a cell pair of ED. Nernst-Planck equation is integrated with Navier-Stokes equations to carry out modeling using the COMSOL program. The results show that the multi-component model is important for the selected brackish water separation, while it is not significant for the investigated seawater. Entropy generation analysis is an important tool to evaluate the irreversible losses of the electrodialysis desalination system. An exergy-based approach is implemented to calculate the maximum possible entropy generation rates. The present study calculated higher entropy generation rates (~20%) due to the accommodation of entropy generation from all the contributed sources. The groundwater comprises of monovalent and divalent ions and radicals, such as Na^+, Cl^-, Mg^(2+), SO_4^(2-) , Ca^(2+), K^+, and HCO_3^-. Therefore, it is vital to conduct entropy generation analysis also using multi-component instead of conventional binary NaCl solution. It is found that multicomponent brackish waters have lower entropy generation rates when compared with equivalent NaCl solution cases. The difference is attributed to the higher chemical potential associated with most of the divalent ions. Techno-economic analysis of electrodialysis (ED) and reverse osmosis (RO) desalination plants is also conducted and compared. It is found that ED is economically feasible when salinity is less than 7 and 9 ppt compared to RO with and without pressure exchanger, respectively.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Chemical Engineering
Mechanical
Department: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: ZUBAIR, SYED M.
Committee Members: Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and QURESHI, BILAL AHMED
Depositing User: MUHAMMAD M GENEROUS (g201708470)
Date Deposited: 24 Dec 2020 11:04
Last Modified: 24 Dec 2020 11:04
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141773