Alkhaldi, Abdullah (2026) Innovative Implementation of Osmotic Assistance Revers Osmosis (OARO) for Cost Effective Sea Water Reverse Osmosis (SWRO) Water Production. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF ME 610 Thesis Final.pdf Restricted to Repository staff only until 31 August 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

يُستخدم التناضح العكسي لمياه البحر (SWRO) على نطاق واسع في المملكة العربية السعودية لإنتاج المياه المحلاة؛ إلا أن نسبة الاسترداد فيه تتأثر بشكل كبير بملوحة مياه التغذية، خصوصًا في المناطق ذات الملوحة العالية مثل الخليج العربي. وقد طُرح مؤخرًا التناضح العكسي بمساعدة أسموزية (OARO) كعملية غشائية متقدمة لمعالجة تيارات الرجيع الملحي عالية الملوحة وتحسين استرداد المياه. تقيّم هذه الرسالة منهجًا مبتكرًا واقتصاديًا لدمج تقنية OARO مع نظام SWRO قائم بهدف تحسين استرداد المياه تحت ظروف مياه البحر عالية الملوحة. أُجريت الدراسة باستخدام حالة دراسية حقيقية لنظام SWRO، ومحاكاة بواسطة برنامج IMSDesign، ونموذج رياضي، وبيانات أداء متاحة من وحدة OARO تجريبية. شمل الإعداد التجريبي وحدة OARO تجريبية على نطاق محدود، استُخدمت لتقييم معالجة رجيع نظام SWRO وإنتاج تيار نفاذية ملحي يمكن إعادة تدويره وخلطه مع مياه البحر الداخلة. كما استُخدم برنامج IMSDesign لمحاكاة أداء خط SWRO تحت ظروف مياه البحر في البحر الأحمر والخليج العربي، وذلك لأنه يوفر توقعات أداء مبنية على بيانات الشركة المصنعة للأغشية، بما في ذلك ضغط التغذية، ونسبة الاسترداد، ومدى قابلية تشغيل النظام. وبالتوازي مع ذلك، تم تطوير نموذج رياضي يعتمد على موازنة الكتلة، وموازنة الأملاح، والضغط الأسموزي، وعلاقات صافي الضغط الدافع، بهدف تقييم تأثير ملوحة مياه التغذية على أداء نظام SWRO وتقدير أثر إعادة تدوير نفاذية OARO على ملوحة مياه التغذية المختلطة. وقد استُخدمت هذه الأدوات معًا لمقارنة التشغيل الأساسي تحت ظروف البحر الأحمر، وحالة التشغيل عالية الملوحة في الخليج العربي، والتكوين المقترح للنظام المتكامل SWRO-OARO. وشملت المعايير الرئيسية التي تم دراستها ملوحة مياه التغذية، وتدفق المياه النافذة، وتدفق الرجيع الملحي، ونسبة الاسترداد، وملوحة الرجيع، وملوحة مياه التغذية المختلطة، وصافي الضغط الدافع، واستهلاك الطاقة النوعي، وتكلفة إنتاج وحدة المياه. تكمن حداثة هذه الدراسة في أن تقنية OARO لا تُقيّم فقط كعملية لتركيز الرجيع الملحي، بل كاستراتيجية لتخفيف ملوحة مياه التغذية، حيث يتم إعادة تدوير نفاذية OARO وخلطها مع مياه البحر القادمة من الخليج العربي قبل مضخة الضغط العالي الخاصة بنظام SWRO، وذلك لتقليل الملوحة الفعلية لمياه التغذية الداخلة إلى النظام. وتُعد هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للمناطق ذات ملوحة مياه البحر المرتفعة مثل الخليج العربي، حيث قد تصل ملوحة مياه التغذية إلى حوالي 60,000 ملجم/لتر، مقارنة بملوحة حالة البحر الأحمر المدروسة والبالغة حوالي 42,634 ملجم/لتر. صُمم نظام SWRO في الحالة الدراسية أساسًا للعمل تحت ظروف البحر الأحمر، حيث حقق نسبة استرداد قدرها 40% وأنتج 600 م³/يوم لكل خط تناضح عكسي. وعند تقييم نفس خط SWRO تحت ملوحة الخليج العربي البالغة 60,000 ملجم/لتر، انخفضت نسبة الاسترداد إلى حوالي 15.56%، كما انخفض إنتاج المياه النافذة إلى حوالي 233 م³/يوم. وبعد دمج تقنية OARO، انخفضت ملوحة مياه التغذية المختلطة لنظام SWRO من 60,000 ملجم/لتر إلى حوالي 52,000 ملجم/لتر، مما أدى إلى تحسين نسبة استرداد SWRO إلى حوالي 26.5%. وعند تطبيق استراتيجية إعادة تدوير نفاذية OARO نفسها تحت ظروف البحر الأحمر، ارتفعت ملوحة مياه التغذية المختلطة لنظام SWRO من 42,634 ملجم/لتر إلى حوالي 44,086 ملجم/لتر، مما أدى إلى انخفاض نسبة استرداد SWRO من 40.00% إلى حوالي 37.96.% ومن الناحية الاقتصادية، خفّض التكوين المقترح تكلفة إنتاج وحدة المياه (UPC) المقدرة من 3.26 ريال/م³ في حالة SWRO فقط في الخليج العربي إلى 1.92 ريال/م³ في حالة النظام المتكامل SWRO-OARO، كما انخفض استهلاك الطاقة النوعي (SEC) من 7.07 إلى 4.15 كيلوواط ساعة/م³. وتشير النتائج إلى أن دمج تقنية OARO مع SWRO يمكن أن يستعيد جزئيًا الفقد في الأداء الناتج عن الملوحة العالية في الخليج العربي، ويقلل من كمية مياه البحر المطلوبة ومتطلبات المعالجة الأولية، ويحسن الجدوى الاقتصادية للتحلية في المناطق الساحلية ذات الملوحة العالية.

English Abstract

Seawater Reverse Osmosis (SWRO) is widely used in Saudi Arabia for desalinated water production; however, its recovery is strongly affected by feedwater salinity, especially in high-salinity regions such as the Arabian Gulf. Osmotically Assisted Reverse Osmosis (OARO) has recently been proposed as an advanced membrane process for treating high-salinity brine streams and improving water recovery. This thesis evaluates an innovative and economical approach for integrating OARO with an existing SWRO system to improve water recovery under high-salinity seawater conditions. The study was conducted using a real SWRO case study, IMSDesign simulation, a mathematical model, and available OARO pilot performance data. The experimental setup included a pilot-scale OARO unit used to evaluate the treatment of SWRO brine, and the production of a saline permeate stream that can be recycled and blended with the incoming seawater feed. IMSDesign was used to simulate the SWRO train under Red Sea and Arabian Gulf feedwater conditions xvii because it provides membrane-manufacturer-based performance predictions, including feed pressure, recovery, and system feasibility. In parallel, a mathematical model based on mass balance, salt balance, osmotic pressure, and net driving pressure relationships was developed to evaluate the effect of feed salinity on SWRO performance and to estimate the impact of OARO permeate recycling on the mixed feed salinity. These methods were used together to compare the baseline Red Sea operation, the high-salinity Arabian Gulf case, and the proposed integrated SWRO OARO configuration. The main parameters investigated were feed salinity, permeate flow rate, brine flow rate, recovery ratio, reject salinity, mixed feed salinity, net driving pressure, specific energy consumption, and unit production cost. The novelty of this study is that OARO is not evaluated only as a brine concentration process, but as a feed-dilution strategy, where OARO permeate is recycled and blended with Arabian Gulf seawater before the SWRO high-pressure pump to reduce the effective SWRO feed salinity. This approach is particularly relevant to high-salinity seawater regions such as the Arabian Gulf, where the feed salinity can reach approximately 60,000 mg/L, compared with the Red Sea case-study salinity of approximately 42,634 mg/L. The case-study SWRO system was originally designed under Red Sea conditions, where it achieved 40% recovery and produced 600 m3/day per RO train. When the same SWRO train was evaluated under Arabian Gulf salinity of 60,000 mg/L, the recovery decreased to approximately 15.56% and the permeate production decreased to approximately 233 m3/day. After integrating OARO, the mixed SWRO feed salinity xviii was reduced from 60,000 mg/L to approximately 52,000 mg/L, which improved SWRO recovery to about 26.5%. When the same OARO permeate-recycling strategy was evaluated under Red Sea conditions, the mixed SWRO feed salinity increased from 42,634 to approximately 44,086 mg/L, reducing the SWRO recovery from 40.00% to approximately 37.96%. Economically, the proposed configuration reduced the estimated Unit Production Cost (UPC) from 3.26 SR/m3 for the Gulf SWRO-only case to 1.92 SR/m3 for the integrated Gulf SWRO-OARO case, while the Specific Energy Consumption (SEC) decreased from 7.07 to 4.15 kWh/m3. The results indicate that integrating OARO with SWRO can partially recover the performance loss caused by high Arabian Gulf salinity, reduce seawater intake and pretreatment requirements, and improve the economic feasibility of desalination in high-salinity coastal regions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Hussein A Mohammed Mohammed,
Thesis Committee Members:	Abdullah Al-Sharafi, Ali Alshehri,
Depositing User:	ABDULLAH ALKHALDI
Date Deposited:	01 Sep 2026 06:28
Last Modified:	01 Sep 2026 07:59
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144755