Membrane-based Desalination Technologies: Analysis and Analogy to Heat Exchangers. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Omar Alrafee 201695100 Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 5 June 2025. Download (1MB)

Arabic Abstract

تتزايد حاجة العالم للمياه يومًا بعد يوم بسبب عوامل مثل نمو السكان واحتياجات الصناعة للمياه وتغير المناخ. لذلك، ركز الباحثون والصناعات على تقنيات تحلية المياه والتقنيات ذات الصلة. في السابق، كان يعتمد على طرق التحلية الحرارية ولكن بعد تطوير تقنيات التحلية بالأغشية، أصبحت وسيلة رائدة وتفوقت على التحلية الحرارية من حيث الكفاءة والاستدامة. تعد الترشيح النانوي (NF) تقنية تحلية بالأغشية تعتمد على الضغط بارزة، وتمثل طريقة متقدمة لمعالجة مصادر المياه ذات الملوحة المختلفة. التحلية الكهربائية (ED) تقنية تحلية بالأغشية تستخدم استخراج الأيونات تحت تأثير الحقل الكهربائي لمعالجة المياه المالحة بفعالية. يمكن دمج هذه التقنيات للتحلية مع بعضها البعض أو مع التناضح العكسي (RO) في أنظمة هجينة مختلفة لتحسين إزالة الأيونات وكفاءة النظام. تم تطوير نموذج تصميم بُعد لـ NF و ED باستخدام مفهوم وحدات نقل الكتل (MTU). تشبه MTU المفهوم المعروف باسم عدد وحدات النقل (NTU) المستخدم في تقييم وتحجيم مبادلات الحرارة. تهدف هذه التشابهية إلى كمية نقل المواد عبر أغشية كل تقنية. بالنسبة لـ NF، يكون ماء النفاذ هو التركيز الرئيسي بينما يتم تحليل نقل الملح في نموذج ED. الهدف من هذه الأطروحة هو ربط MTU بمدى نجاح نقل المواد عبر الأغشية أي فعاليته (𝜀). باستخدام الفعالية، يُمكن للمهندسين اتخاذ القرارات اللازمة لتحسين النظام المصمم. كما يتم توسيع تطوير نموذج 𝜀-MTU إلى الأنظمة الهجينة التي تجمع بين تقنيات تحلية الأغشية مثل RO وNF و ED. لتحديد الضغوط الاسموزية التي تحقق الحلول بصورة مغلقة والتي تحدد الأداء لتبادل الكتل، تم استخدام وظيفة خطية للملوحة في حالة NF. يرتبط النموذج بالخصائص الغشائية وNF مثل الحجم والضغوط والملوحات بنسبة الاسترجاع والفعالية. تُعرف فعالية نظام NF بأنها نسبة الاسترجاع مقسومة على قيمتها القصوى الممكنة. يمكن للنموذج أيضًا إعادة إنتاج نتائج نظام RO عن طريق افتراض رفض الملح بنسبة 100%. يتم التحقق من صحة النموذج من خلال المقارنة مع البيانات في الأدب لأربعة تصاميم محطات NF، مما يؤدي إلى أخطاء تتراوح بين 0.73% و 5.42%، مع متوسط خطأ قدره 3.9%. يتم تطبيق نفس المفهوم لمبادلات الكتل ED، حيث تُعرف فعاليته كنسبة نقل النظام على قيمتها القصوى الممكنة. يُعرض نتيجتا نمذجة مختلفتان اعتمادًا على ما إذا كان النظام ED يتعامل مع مياه مالحة أو مصدر ذو ملوحة عالية. الأخطاء في النمذجة تتراوح حوالي 0.02% لمصدر المياه المالحة (3500 جزء في المليون) وحوالي 2% لمصدر الملوحة العالية (150,000 جزء في المليون). لذلك، يمكن لنموذج 𝜀-MTU المطور المساعدة في تصميم وتقييم أنظمة ED بطريقة قوية. تم تطبيق هذه المفاهيم النموذجية أيضًا على الأنظمة الهجينة المذكورة أعلاه مما سمح بتحليل شامل للنظام المتكامل، مع مراعاة الجوانب الكيميائية والهيدروليكية على حد سواء.

English Abstract

The need for water in the world increases daily due to factors such as population growth, industrial water demands and climate change. Therefore, researchers and industries have focused on water desalination and related technologies. Before, reliance was placed on thermal desalination methods but, after the development of membrane desalination technologies, it has become a pioneering method and has outperformed thermal desalination in efficiency and sustainability. Nanofiltration (NF) is a prominent pressure-based membrane desalination technology, representing an advanced method for treating water sources of different salinities. Electrolysis (ED) is a membrane desalination technology that uses ion extraction under the influence of an electric field to treat brackish water effectively. Integrating these desalination techniques with each other or Reverse Osmosis (RO) into different hybrid systems optimizes ion removal and system efficiency. A dimensionless design model for NF and ED is developed by using the Mass Transfer Units (MTU) concept. MTU is analogous to the Number of Transfer Units (NTU) concept used in rating and sizing heat exchangers. This analogy aims to quantify the transfer of materials across the membranes of each technology. For NF, permeate water is the main focus while salt transport is the analysed parameter in the ED model. The aim of this thesis is to relate the MTU to the extent of the success of transporting the materials across the membranes i.e. its effectiveness (𝜀). Using the effectiveness, it enables engineers to take the necessary decisions to improve the designed system. The development of the 𝜀-MTU model is also extended to hybrid systems that combined membrane desalination technologies such as RO, NF and ED. For NF, a linear function of salinity was used to define the osmotic pressures in reaching the closed-form solutions which determine the performance for the mass exchanger. The model relates membrane and NF characteristics such as size, pressures and salinities to recovery ratio and the effectiveness. The effectiveness of an NF system is defined as the recovery ratio divided by its maximum achievable value. The model can also reproduce the results of a RO system by assuming 100% salt rejection. It is validated by comparison with data in the literature for four NF plant designs, yielding errors ranging from 0.73% to 5.42%, with an average error of 3.9%. Same concept is applied for ED mass exchangers, where its effectiveness is defined as the system transport ratio over its maximum possible value. Two different modelling results are shown depending on whether the ED system is dealing with brackish water or a high salinity source. The modelling errors found are ~0.02 % for the brackish water source (3500 ppm) and ~2 % for the high salinity source (150,000 ppm). Therefore, the 𝜀-MTU model developed can help to design and evaluate ED systems in a robust manner. These modelling concepts were also applied to the above-mentioned hybrid systems which allowed for a comprehensive analysis of the integrated system, considering both chemical and hydraulic aspects.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	QURESHI, BILAL AHMED
Committee Members:	ZUBAIR, SYED M. and AlQuaity, Awad
Depositing User:	OMAR ALRAFEE (g201695100)
Date Deposited:	05 Jun 2024 07:02
Last Modified:	05 Jun 2024 07:02
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142911