Desalination by batch reverse osmosis (RO) of brackish groundwater containing sparingly soluble salts

• DOI: 10.1016/j.desal.2023.116875
• Publication Date: 2023-07-28T21:19:58Z
• Authors: Ebrahim Hosseinipour; Ellie Harris; Hossam A. El Nazer; Yasser M.A. Mohamed; Philip A. Davies
• Keywords: Salinity; Brine; Biomedical Engineering; Environmental engineering; Organic chemistry; FOS: Medical engineering; Oceanography; Chloride; Biochemistry; Environmental science; Engineering; Salinity Gradient Power; Groundwater; Solar Desalination; Water Science and Technology; Chromatography; Energy; Renewable Energy, Sustainability and the Environment; Desalination; Reverse osmosis; Science and Technology of Capacitive Deionization for Water Desalination; Sodium; Brackish water; Membrane; FOS: Environmental engineering; Geology; FOS: Earth and related environmental sciences; Advancements in Water Purification Technologies; Chemistry; Geotechnical engineering; Environmental Science; Physical Sciences; Solar-Powered Water Desalination Technologies; Water Desalination

Batch RO desalination is a new approach to high-recovery, energy-efficient desalination. So far, however, batch RO has been tested mostly with pure sodium chloride solutions. An important application of batch RO is desalination of brackish groundwater which, besides sodium chloride, contains sparingly soluble salts. In this experimental study of a batch RO system, we used simulated groundwater (with total dissolved solids ranging from 1180 to 3637 mg/L) following compositions of samples taken from a location in Egypt and a location in India. The groundwater contained high levels of salts which could be expected to cause scaling on the RO membrane surface. For example, the Langelier Saturation Index (LSI) for calcite reached 2.6 in the brine. Nonetheless, the system resisted scaling throughout >100 h of operation. Membrane permeability remained almost unchanged, as demonstrated by tests conducted before and after the experiments. Induction time calculations showed that salinity cycling did not fully explain the scaling inhibition. Other anti-scaling mechanisms – such as periodic flushing, osmotic backwash, and feed flow reversal – were also likely contributors. At recovery of 0.8, hydraulic specific energy consumption (SEC) was <0.5 kWh/m3 and close to that obtained with sodium chloride solution at equivalent osmotic pressure.<br/>Le dessalement par lots RO est une nouvelle approche du dessalement à haute récupération et à haut rendement énergétique. Jusqu'à présent, cependant, le lot RO a été testé principalement avec des solutions de chlorure de sodium pur. Une application importante du lot RO est le dessalement des eaux souterraines saumâtres qui, outre le chlorure de sodium, contiennent des sels peu solubles. Dans cette étude expérimentale d'un système d'OI par lots, nous avons utilisé des eaux souterraines simulées (avec des solides dissous totaux allant de 1180 à 3637 mg/L) en suivant des compositions d'échantillons prélevés à un endroit en Égypte et à un endroit en Inde. Les eaux souterraines contenaient des niveaux élevés de sels qui pourraient provoquer un entartrage à la surface de la membrane RO. Par exemple, l'indice de saturation de Langelier (LSI) pour la calcite a atteint 2,6 dans la saumure. Néanmoins, le système a résisté à la mise à l'échelle pendant plus de 100 heures de fonctionnement. La perméabilité membranaire est restée presque inchangée, comme le démontrent les tests effectués avant et après les expériences. Les calculs du temps d'induction ont montré que le cycle de salinité n'expliquait pas complètement l'inhibition de l'entartrage. D'autres mécanismes anti-tartre – tels que le rinçage périodique, le lavage à contre-courant osmotique et l'inversion du flux d'alimentation – étaient également susceptibles d'y contribuer. À la récupération de 0,8, la consommation d'énergie spécifique hydraulique (SEC) était <0,5 kWh/m3 et proche de celle obtenue avec une solution de chlorure de sodium à pression osmotique équivalente.<br/>تعد تحلية المياه بالتناضح العكسي دفعة واحدة نهجًا جديدًا لتحلية المياه عالية الاستعادة والموفرة للطاقة. ومع ذلك، حتى الآن، تم اختبار دفعة التناضح العكسي في الغالب باستخدام محاليل كلوريد الصوديوم النقي. من التطبيقات المهمة للدفعة RO تحلية المياه الجوفية المالحة التي تحتوي، إلى جانب كلوريد الصوديوم، على أملاح قابلة للذوبان بشكل ضئيل. في هذه الدراسة التجريبية لنظام التناضح العكسي الدفعي، استخدمنا المياه الجوفية المحاكاة (مع إجمالي المواد الصلبة الذائبة التي تتراوح من 1180 إلى 3637 مجم/لتر) بعد تركيبات العينات المأخوذة من موقع في مصر وموقع في الهند. احتوت المياه الجوفية على مستويات عالية من الأملاح التي يمكن توقع أن تسبب التحجيم على سطح غشاء التناضح العكسي. على سبيل المثال، وصل مؤشر تشبع Langelier (LSI) للكالسيت إلى 2.6 في المحلول الملحي. ومع ذلك، قاوم النظام التحجيم طوال أكثر من 100 ساعة من التشغيل. ظلت نفاذية الغشاء دون تغيير تقريبًا، كما يتضح من الاختبارات التي أجريت قبل التجارب وبعدها. أظهرت حسابات وقت الحث أن دورة الملوحة لم تفسر تمامًا تثبيط التحجيم. ومن المحتمل أيضًا أن تكون آليات مكافحة التحجيم الأخرى – مثل التنظيف الدوري، والغسيل العكسي التناضحي، وعكس تدفق التغذية – من المساهمين. عند استعادة 0.8، كان استهلاك الطاقة النوعية الهيدروليكية (SEC) أقل من 0.5 كيلو واط ساعة/م 3 وقريب من ذلك الذي تم الحصول عليه بمحلول كلوريد الصوديوم عند ضغط تناضحي مكافئ.<br/>La desalinización por RO por lotes es un nuevo enfoque para la desalinización de alta recuperación y eficiencia energética. Hasta ahora, sin embargo, el lote de RO se ha probado principalmente con soluciones de cloruro de sodio puro. Una aplicación importante de la RO por lotes es la desalinización de aguas subterráneas salobres que, además del cloruro de sodio, contienen sales poco solubles. En este estudio experimental de un sistema de ósmosis inversa por lotes, utilizamos aguas subterráneas simuladas (con sólidos disueltos totales que oscilan entre 1180 y 3637 mg/L) siguiendo composiciones de muestras tomadas de una ubicación en Egipto y una ubicación en la India. El agua subterránea contenía altos niveles de sales que se podría esperar que causaran incrustaciones en la superficie de la membrana de RO. Por ejemplo, el Índice de Saturación de Langelier (LSI) para la calcita alcanzó 2,6 en la salmuera. Sin embargo, el sistema resistió el escalado a lo largo de >100 h de operación. La permeabilidad de la membrana se mantuvo casi sin cambios, como lo demuestran las pruebas realizadas antes y después de los experimentos. Los cálculos del tiempo de inducción mostraron que el ciclo de salinidad no explicaba completamente la inhibición de la incrustación. Otros mecanismos antiincrustantes, como el lavado periódico, el retrolavado osmótico y la inversión del flujo de alimentación, también contribuyeron probablemente. A una recuperación de 0.8, el consumo específico de energía hidráulica (SEC) fue <0.5 kWh/m3 y cercano al obtenido con solución de cloruro de sodio a presión osmótica equivalente.<br/>