Seeding as a mitigation strategy for gypsum scaling in membrane distillation desalination
Date
2022-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Membrane distillation (MD) is a temperature driven separation technology that can desalinate water at higher salinities than can be treated by means of reverse osmosis (RO), and can operate at lower temperatures than multistage flash distillation (MSF) or multi-effect evaporation (MEE), while having a smaller physical footprint. MD presents an alternative to conventional desalination technologies for the treatment of highly saline water especially where solar or low-grade waste heat is available or where a small footprint is desirable.
As is typical of membrane processes, MD is susceptible to scaling, especially by calcium scalants, such as gypsum, which has a low solubility in water at elevated temperatures. Gypsum scaling can block the membrane pores and restrict the flux, as well as penetrate the pores and cause the membrane to become wetted, thereby reducing its separation efficiency (SE).
It was hypothesised that gypsum scaling in MD can be mitigated by adding gypsum crystals (seeds) to the supersaturated calcium sulphate solution. This procedure (crystal seeding) can restrict crystallisation on the membrane in favour of growth of suspended crystals in the bulk solution. This study endeavoured to demonstrate that seeding can retard the flux decline and delay the onset of pore wetting in an MD process. Furthermore, this study demonstrated the effect of feed agitation and seed loading on the effectiveness of scaling mitigation by seeding. Finally this study investigated the reversibility of gypsum scaling in seeded membrane distillation by rinsing with water.
In an experimental investigation a saturated calcium sulphate solution was desalinated using a lab-scale MD process consisting of a membrane fitted to the base of a stirred feed vessel and exposed to cold water that was pumped over the permeate side of the membrane. The MD system was run at 61 °C with a trans-membrane vapour pressure of 16 kPa and a bulk permeability coefficient of 2.3x10-7 s/m. It was demonstrated that the addition of 5 g/L seed crystals agitated to a G-value of 630 s-1 resulted in the flux declining ten times slower than when no scaling mitigation was implemented. However, when crystals were only agitated to a G-value of 210 s-1, seeding accelerated the rate of scaling ostensibly via crystal deposition and secondary nucleation on the membrane.
It was demonstrated that increasing the level of agitation (from 210 to 420 s-1 and from 420 to 630 s-1) resulted in a retardation in flux decline and a delayed risk of pore wetting as the crystal growth rate on the membrane and the crystal deposition rate onto the membrane were inferred to be decelerated. Similarly, increasing the seed loading (from 1 to 3 g/L and from 3 to 5 g/L) was also inferred to decelerate the crystal growth rate on the membrane but to accelerate the crystal deposition rate. Therefore a greater seed loading delayed the risk of pore wetting, but did not necessarily retard the flux decline.
The scaling that occurred during seeded membrane distillation appeared to be completely reversed by rinsing with and soaking in water. However, only rinsing with water was not sufficient in removing the scale and restoring the membrane properties. It was therefore surmised that while seeding is a feasible gypsum scaling mitigation strategy in MD, it should be paired with a more thorough cleaning sequence than merely periodically rinsing with water.
AFRIKAANS OPSOMMING: Membraan-distillasie (MD) is ’n temperatuur-aangedrewe skeidingstegnologie wat water met ’n sout-inhoud hoër as dit wat deur tru-osmosis (RO) behandel kan word, kan ontsout. MD kan ook teen ’n temperatuur bedryf word wat laer is as dit waarteen multi-fase flits-distillasie (MSF) of multi-effek verdamping (MEE) plaasvind, terwyl MD se fisiese voetspoor ook kleiner as dié van MSF en MEE is. MD vul konvensionele ontsouting-metodes aan en bied ’n alternatief vir die behandeling van water met ’n hoë soutinhoud, veral waar sonkrag of lae-graad, oortollige energie beskikbaar is of waar ’n kleiner voetspoor voordelig is. MD, net soos ander membraan-prosesse, is vatbaar vir skaalvorming, veral wanneer dit veroorsaak word deur kalsium-skaalmiddels soos gips wat by hoë temperature ’n lae oplosbaarheid in water het. Gips-aanpakking kan die membraan se porieë blokkeer en die vloed deur die membrane beperk. Gipskristalle kan ook die porieë penetreer en veroorsaak dat die porieë bevogtig word, wat die skeidings-effektiwiteit (SE) van die proses verlaag. Die hipotese is gestel dat gips-skaalvorming in MD verlaag kan word deur gipskristalle (sade) by ’n oorversadigde kalsiumsulfaat-oplossing te voeg. Dié prosedure kan kristallisering op die membraan beperk ten gunste van die groei van saad-kristalle in die bulk-oplossing. Hierdie ondersoek het gepoog om te demonstreer dat die byvoeging van saadkristalle in ’n MD-proses die afname van vloei deur die membraan kan vertraag en die aanvang van die bevogtiging van porieë kan uitstel. Verder het die ondersoek die effek van die vermenging van voer, asook die effek van die lading van saadkristalle op die effektiwiteit van verlaging van skaalvorming, gedemonstreer. Uiteindelik het hierdie studie die omkeerbaarheid van gips-skaalvorming in MD met gebruik van saadkristalle ondersoek deur membrane met water te was. Tydens ’n eksperimentele ondersoek, is ’n versadigde kalsiumsulfaat oplossing ontsout deur middel van ’n laboratorium-skaal MD-proses waar ’n membraan gepas is op die basis van ’n geroerde voertenk terwyl dit blootgestel is aan koue water wat oor die permeaat-kant van die membraan gepomp is. Die MD-sisteem is teen 61 °C bedryf, met ’n trans-membraan dampdruk van 16 kPa en ’n bulk-permeabiliteitskoëffisiënt van 2.3x10-7 s/m. Daar is gedemonstreer dat wanneer 5 g/L saadkristalle bygevoeg is en geroer is tot ’n G-waarde van 210 s-1, die vloed deur die membraan tien keer stadiger vertraag het as wanneer daar geen saadkristalle bygevoeg is nie. Wanneer kristalle slegs geroer is tot ’n G-waarde van 210 s-1, is die tempo van skaalvorming egter versnel, vermoedelik as gevolg van kristal-afsetting en sekondêre nukleusvorming op die membraan. Daar is gedemonstreer dat die vloed-afname verder vertraag kon word en dat die risiko van porieë-bevogtiging uitgestel kon word deur die vermenging te verhoog vanaf 210 tot 420 s-1 en vanaf 420 tot 630 s-1, oënskynlik aangesien beide die groei van kristalle en die tempo van kristal-afsetting op die membraan vertraag is. Die afleiding is ook gemaak dat die groei van kristalle op die membraan verder vertraag is wanneer die aantal saadkristalle vermeerder is van 1 tot 3 g/L en van 3 tot 5 g/L. Die toename van saadkristalle het skynbaar egter ook ’n toename in die afsetting van kristalle op die membraan tot gevolg gehad. Daarom het ’n groter aantal saadkristalle ’n later aanvang van porieë-bevogtiging tot gevolg gehad, maar nie noodwendig die afname in vloed vertraag nie. Die skaalvorming wat plaasgevind het tydens MD as gevolg van die byvoeging van saadkristalle, het geblyk om heeltemal omkeerbaar te wees deur die membraan met water te spoel en dan in water te week. Deur met water te spoel sonder om te week was egter nie voldoende om die gips-aanpakking volledig te verwyder en die membraan-eienskappe te herstel nie. Die afleiding is dus gemaak dat die byvoeging van saadkristalle ’n uitvoerbare strategie is om gips-skaalvorming in MD te mitigeer, op voorwaarde dat dit gepaard gaan met ’n meer deeglike wasprosedure as om dit slegs met water te spoel.
AFRIKAANS OPSOMMING: Membraan-distillasie (MD) is ’n temperatuur-aangedrewe skeidingstegnologie wat water met ’n sout-inhoud hoër as dit wat deur tru-osmosis (RO) behandel kan word, kan ontsout. MD kan ook teen ’n temperatuur bedryf word wat laer is as dit waarteen multi-fase flits-distillasie (MSF) of multi-effek verdamping (MEE) plaasvind, terwyl MD se fisiese voetspoor ook kleiner as dié van MSF en MEE is. MD vul konvensionele ontsouting-metodes aan en bied ’n alternatief vir die behandeling van water met ’n hoë soutinhoud, veral waar sonkrag of lae-graad, oortollige energie beskikbaar is of waar ’n kleiner voetspoor voordelig is. MD, net soos ander membraan-prosesse, is vatbaar vir skaalvorming, veral wanneer dit veroorsaak word deur kalsium-skaalmiddels soos gips wat by hoë temperature ’n lae oplosbaarheid in water het. Gips-aanpakking kan die membraan se porieë blokkeer en die vloed deur die membrane beperk. Gipskristalle kan ook die porieë penetreer en veroorsaak dat die porieë bevogtig word, wat die skeidings-effektiwiteit (SE) van die proses verlaag. Die hipotese is gestel dat gips-skaalvorming in MD verlaag kan word deur gipskristalle (sade) by ’n oorversadigde kalsiumsulfaat-oplossing te voeg. Dié prosedure kan kristallisering op die membraan beperk ten gunste van die groei van saad-kristalle in die bulk-oplossing. Hierdie ondersoek het gepoog om te demonstreer dat die byvoeging van saadkristalle in ’n MD-proses die afname van vloei deur die membraan kan vertraag en die aanvang van die bevogtiging van porieë kan uitstel. Verder het die ondersoek die effek van die vermenging van voer, asook die effek van die lading van saadkristalle op die effektiwiteit van verlaging van skaalvorming, gedemonstreer. Uiteindelik het hierdie studie die omkeerbaarheid van gips-skaalvorming in MD met gebruik van saadkristalle ondersoek deur membrane met water te was. Tydens ’n eksperimentele ondersoek, is ’n versadigde kalsiumsulfaat oplossing ontsout deur middel van ’n laboratorium-skaal MD-proses waar ’n membraan gepas is op die basis van ’n geroerde voertenk terwyl dit blootgestel is aan koue water wat oor die permeaat-kant van die membraan gepomp is. Die MD-sisteem is teen 61 °C bedryf, met ’n trans-membraan dampdruk van 16 kPa en ’n bulk-permeabiliteitskoëffisiënt van 2.3x10-7 s/m. Daar is gedemonstreer dat wanneer 5 g/L saadkristalle bygevoeg is en geroer is tot ’n G-waarde van 210 s-1, die vloed deur die membraan tien keer stadiger vertraag het as wanneer daar geen saadkristalle bygevoeg is nie. Wanneer kristalle slegs geroer is tot ’n G-waarde van 210 s-1, is die tempo van skaalvorming egter versnel, vermoedelik as gevolg van kristal-afsetting en sekondêre nukleusvorming op die membraan. Daar is gedemonstreer dat die vloed-afname verder vertraag kon word en dat die risiko van porieë-bevogtiging uitgestel kon word deur die vermenging te verhoog vanaf 210 tot 420 s-1 en vanaf 420 tot 630 s-1, oënskynlik aangesien beide die groei van kristalle en die tempo van kristal-afsetting op die membraan vertraag is. Die afleiding is ook gemaak dat die groei van kristalle op die membraan verder vertraag is wanneer die aantal saadkristalle vermeerder is van 1 tot 3 g/L en van 3 tot 5 g/L. Die toename van saadkristalle het skynbaar egter ook ’n toename in die afsetting van kristalle op die membraan tot gevolg gehad. Daarom het ’n groter aantal saadkristalle ’n later aanvang van porieë-bevogtiging tot gevolg gehad, maar nie noodwendig die afname in vloed vertraag nie. Die skaalvorming wat plaasgevind het tydens MD as gevolg van die byvoeging van saadkristalle, het geblyk om heeltemal omkeerbaar te wees deur die membraan met water te spoel en dan in water te week. Deur met water te spoel sonder om te week was egter nie voldoende om die gips-aanpakking volledig te verwyder en die membraan-eienskappe te herstel nie. Die afleiding is dus gemaak dat die byvoeging van saadkristalle ’n uitvoerbare strategie is om gips-skaalvorming in MD te mitigeer, op voorwaarde dat dit gepaard gaan met ’n meer deeglike wasprosedure as om dit slegs met water te spoel.
Description
Thesis (MEng) -- Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Membrane distillation, Gypsum, Saline water conversion, Crystallization, UCTD