Sanitization of water system

By / Ahmed Hasham

Water & Quality Expert

https://www.linkedin.com/in/ahmed-hasham-01024b27/

 

Definition of Sanitization

Sanitization is not an absolute process. It is a partial removal of organisms. The sanitization process should reduce the organism population by some 90%. In water, sanitization is often defined as a 3-logarithm (log) or 1,000-fold reduction in the number of bacteria.

 

Sanitization tactics:

There are two basic tactics for controlling bacterial growing in a potable water system:

  • The first tactic is to keep a constant residual level of biocide agent within the system (continuous dosing).

As example for this technique that water treatment facilities use when they inject sufficient chlorine to provide a residual throughout the distribution system.

  • The second tactic is to periodically sanitize. If for some aim the process protocol not allows the use of continuous chlorination, then periodic sanitization will be essential.

Chemical Sanitization:

Chemical biocides can be divided into two main groups:

  1. Oxidizing: contain chlorine, chlorine dioxide, and ozone.
  2. Non-oxidizing: contain Quaternary ammonium compounds, formaldehyde, and anionic and nonionic surface-active agents.

This table provides some general information about biocides. The table includes recommended contact times for various concentrations, as well as factors to consider when choosing a biocide to use with automated watering systems. Note that some biocides are not recommended for use with automated watering systems at all.

Chlorine

The most common sanitizing agent is chlorine. Chlorine is the cheapest, most readily available, and is effective and easy to handle. Even though ozone and chlorine dioxide are also effective biocides, there is little understanding using these chemicals to sanitize automated water systems. The effectiveness of a sanitizing chemical depending on both concentration and contact time.

Typical sanitization of an automated water system is accomplished using 20 ppm chlorine for 30–60 minutes. Higher concentrations or longer soak times will increase effectiveness; however, do not use a sanitizing solution with a chlorine concentration higher than 50 ppm. Repeated sanitization at higher concentrations can cause corrosion of stainless steel wetted components in an automated watering system.

Thermal Sanitization using Hot Water

Heated water may be used to sanitize a system if it is held in the range above 70°C (158°F). The practical characteristics of handling water at this temperature (the materials of construction and the energy used).

Sanitization Frequency

Sanitization does not kill 100% of bacteria in a watering system, the remaining bacteria can re grow in the system. This means that the components of a water system will need to be re sanitized periodically.

The frequency for your particular system will depend on its design, the frequency of both flushes and filter changes, the supply water quality, and the bacterial quality you are trying to maintain. To determine the sanitization frequency, establish a regular schedule for drawing samples and monitoring the total bacteria count levels. Increase or decrease the frequency of sanitization based on the measured bacterial quality. To destroy an established biofilm, (for example: a watering system that has been in operation for some time and has never been sanitized) repetitive sanitizing cycles are usually required.

The initial chlorine contact may only kill the top sheet of biofilm. Chlorine will also destroy the glycocalyx or slime which is the “glue” that holds biofilm bacteria composed and to the pipe wall, this weakens the biofilm structure. For that reason, it is a great idea to follow chlorine exposure with a high-flow flush. Fresh chlorine is then injected again to the piping to kill the next bacterial layer. This chlorine sanitization/flush cycle may need to be repeated more than a few times on successive days till the gathered biofilm has been removed. For a well-established biofilm, 3-10 cycles may be need.

Sanitization of an Automated Watering System

All the components in an automated watering system should be sanitized at regular intervals. This section describes how to sanitize these components.

RO Units

Continuous chlorination for feed water:

 For reverse osmosis (RO) systems using cellulose acetate membranes, continuous chlorine pretreatment is used to prevent bacteria growth in the RO machine. Chlorine injection is adjusted to provide 0.5 – 2.0 ppm of free chlorine in the feed water and a minimum of 0.3 ppm free chlorine.

Clean-in-place cycle for RO unit:

Regular cleaning of the RO machine is essential because contaminants can precipitate or scale on membrane surfaces, reducing flow rate and quality of the product water. On most of the RO machines, cleaning is done automatically on a periodic basis. Low pH cleaners (Such as citric acid) are used to remove precipitated salts and metals, and alkaline (Such as NaOH) or neutral cleaners are used to remove dirt, silt, and organic foulants.

RO membranes can also become fouled with microorganisms. To minimize biofouling, it is best if the RO machine can operate continuously, or as many hours a day as possible, to minimize stagnant downtime. If a microbiological cleaner is needed, follow the membrane manufacturer’s recommendations.

References:

Joymalya bhattacharya, Sanitization of automated watering system, Generation of pharmaceutical water. CreateSpace Independent Publishing Platform, 2013. — 134 pages, ISBN: 1492393495.

تحقيق التوازن بين الأغشية بإستخدام التصميم المهجن لمحطات التناضح العكسى

بقلم م/ محمد أحمد عاشور 

مدير فني و استشاري أنظمة التحلية 

مقـــدمـــــة:

تتنافس المؤسسات المنتجة للأغشية المستخدمة فى محطات التحلية بإستخدام التناضح العكسى بإنتاج أغشية مختلفة المواصفات لكى تتناسب مع إحتياجات السوق . فبعض هذه الأغشية يمكنها العمل على استخدام طاقة نوعية عالية وأخرى طاقة نوعية منخفضة وفى كلا الحالتين المصمم هو سيد قراره .ففى بعض المناطق تكون جودة المياه المراد تحليتها منخفضة وفى مناطق أخرى المياه المراد تحليتها تكون ذو جودة مقبولة  وبالتالى هناك عوامل عدة توثر فى عملية اختيار الغشاء منها طبيعة ومصدر المياه المراد تحليتها وسعر الطاقة فى المنطقة  .كثرة الأغشية المطروحة فى الأسواق بإختلاف انواعها تعطى للمصمم الأريحية للاستفادة منها بشكل كامل عندما يكون التصميم فى الحدود المسموحة من المصنع .فيمكنه دمج لأكثر من نوع فى مرحلة واحدة أو فى مرحلتين مختلفتين على أن تكون هناك إستفادة كاملة من جميع الموارد المتاحة .

 

التوازن فى إنتاجية الأغشية خلال الوعاء الواحد :

نظرا لأن هذه الأغشية الموضحة فى الشكل رقم 1 على التوالى وبالتالى فإن المياه عالية الملوحة (Reject ) من الغشاء الأول تتجه للغشاء الثانى وهكذا حتى الوصول للغشاء الاخير .ان لم يحدث توازن فى إنتاجية الأغشية وصولا للغشاء الأخير  عملية التوازن بين انتاجية الأغشية فى نفس الوعاء لابد وان تكون متزنة حتى لاتوثر على اخر غشاء فى الوعاء رقم 6 ويحدث ترسب للأملاح المختلفة وانسداد الأغشية .

عملية التوازن فى الأنتاجية تجنبنا الكثير من الأثار السلبية على أداء المحطات كتقليل معدل تدفق المياه من المنتجة نسبة لمساحة سطح الغشاء الأول (Flux ) وبالطبع ذلك يحسن من انتاج الغشاء رقم 6 ويقلل من إحتمالية حدوث انسداد للأغشية وخصوصا رقم 6 .

عملية التوازن فى الإنتاجية بين الأغشية فى المرحلة الواحدة أو فى المرحلتين يتم تحقيقها بالتصمميات الأتية:

  • استخدام النظام المهجن خلال أكثر من مرحلة (Hybrid System) .

يتم استخدام غشاء من نوع معين فى المرحلة الأولى ثم يتم استخدام نوع ثان فى المرحلة الثانية.

وفى هذا التصميم الهدف منه عمل موازنة بين انتاجية الأغشية بين المرحلة الأول والثانية وتجنب حدوث فرق ضغط كبير بين لمرحلتين بسبب انسداد أغشية المرحلة الثانية ويمكن ايضا استخدامه فى زيادة او تقليل نسبة الأملاح الكلية الذائبة فى المياة المنتجة .

تم استخدام هذا التصميم من قبل واضافة 4 أغشية فى المرحلة الثانية من موديل NF270-400 (Filmtec) وذلك لزيادة عسر وقاعدية المياه المنتجة وبالفعل تم توفير قيمة مليون دولار سنويا مقابل عدم استخدام مواد كيماوية لتعديل خصائص المياه المنتجة بعد محطات التناضح العكسى .

 

  • استخدام اكثر من غشاء خلال الوعاء الواحد (Internally staged design) .

الفكرة الأساسية التى يبنى عليها هذا النوع من التصميمات هو جعل الغشاء الأول الذى يستقبل المياه المتدفقة المراد تحليتها (Lead Element)  فى المقدمة صاحب الأنتاجية الأقل وكذلك يمتلك القدرة العالية على نزع الأملاح وبالتالى تصبح نسبة المياه المستخلصة من الغشاء الأول ليست عالية مقارنة إذا ما تم استبدالة بغشاء صاحب إنتاجية أعلى مما يتيح للأغشية التالية فى عمل نسبة إستخلاص لا تقل كثيرا عن الأغشية التى تسبقها .

الشكل رقم 3 يوضح تصميمات مختلفة لأغشية مختلفة داخل الوعاء الواحد ومن الملاحظ ايضا وضع الأغشية ذات الأنتاجية الأقل فى المقدمة ثم يبدأ بالتتابع وضع الأغشية ذات مساحة سطح أكبر قادرة على إنتاج لا يقل كثيرا عن ما يسبقها مما يحقق التوازن بين إنتاجية كل غشاء على حِدة ويمنع عملية تدهور اداء الغشاء الأخير (Tail Element )

   فى الرسم البيانى التالى رقم 1 تم استخدام 7 أغشية فى وعاء واحد بإختلاف خصائصهم ففى المنحنى المخطط باللون الأخضر يتضح أداء الغشاء صاحب الأنتاجية11,000 gpd   (SW30ULE-400i )  حيث كانت أنتاجية الغشاء الأول اعلى ما يمكن تكاد تكون 1.35 مترمكعب / ساعة ثم بعد ذلك بدأ التناقص وبشكل سريع فى إنتاج الأغشية مروروا من الثانى حتى الأخير مما يجعل الغشاء الأخير معرضا لتدهور فى الأداء ونسبة حدوث الأنسدادات تكون عالية .

يمككنا أيضا ملاحظة أداء الغشاء صاحب الإنتاجية  (SW30XLE-400i) 9000gpd  وهذا الغشاء يملك أنتاجية اقل من الذى سبقه ولذلك نجد أن عملية التناقص فى الانتاجية من الغشاء الثانى حتى الأخير لاتكون بنفس درجة الغشاء (SW30ULE-400i)  حيث ان كمية المياه التى تم استخلاصها من الغشاء الأول لم تكن عالية وبالتالى كانت هناك فرصة أكبر للأغشية الأخرى بداية من الثالث حتى الأخير فى تحقيق إنتاجية أعلى من الغشاء (SW30ULE-400i) .

وكذلك كان الحال فى الغشاء7500 gpd  (SW30HRLE-400i)   حيث بدأ التناقص فى أنتاجية الأغشية بشكل متوازن وليس متسارع كما فى   (SW30ULE-400i ) مما جعل إنتاجية الأغشية فى الوضع رقم 3 حتى الأخير تسير بشكل متزن زمع العلم ان هذا الغشاء هو الأشهر فى محطات تحلية المياه ويتم استخدامة بكثرة

عند عمل عملية التهجين الداخلى داخل الوعاء الواحد واستخدام فى المقدمة 2 غشاء من7,500gpd  (SW30HRLE-400i)  صاحب الأنتاجية الأقل والقدرة العالية على نزع الأملاح بنسبة 99.8 ثم يأتى 2 غشاء من (SW30XLE-400i) 9,000gpd  صاحب الإنتاجية الأعلى ويمتلك أيضا قدرة عالية على نزع الأملاح بنسبة 99.8 ثم يأتى صاحب الإنتاجة الأعلى       (SW30ULE-400I) 11,000gpd وقدرته على نسبة نزع الأملاح 99.7 أقل من سابقيه  فى الشكل رقم 4 يمكننا ان نلاحظ أداء هذا الترتيب المهجن من المنحنى البنى فى الشكل البيانى رقم مقارنة بالترتيبات التقليدية للأغشية فى المنحنيات السابقة نجد أن انتاجية الغشاء الأول والثانى لم تكن عالية مقارنة بالأغشية الأخرى ولكن هذا يحقق للأغشية التالية كالثالث تحقيق أنتاجية لاتبتعد كثيرا عن الأول والثانى بل تكاد تقترب من إنتاجية الغشاء الثانى 0.75 متر مكعب يوميا مقارنة بوضع الأغشية  فى التصميمات التقليدية نجد أن هناك تفوق ملحوظ وكذلك أنسايبية فى عملية التناقص بداية من الغشاء الثانى حتى السابع مما لا يعرض الغشاء الأخير لأى تدهور فى الأداء.

 

وعند عمل مقارنة بين تصميمن اخرين كما فى الشكل رقم 5 وكذلك بوضع الغشاء (SW30XHR-400i) 6,000gpd  فى المقدمة ووضع الغشاء (SW30ULE-400i) 11,000 gpd   نجد ان كعدل تدفق المياه المنتجة للتصميم المهجن أعلى بمقدار 1.76 لتر / ساعة للمتر المربع الواحد من مساحة سطح الغشاء المستخدم مما يجعل الأنتاجية الكلية للنظام المهجن أعلى من النظام التقليدى مع الحفاظ على عملية الإتزان بين إنتاجية الأغشية .

الاستنتاج :   

عملية التوازن فى الانتاجية على سطح الأغشية بداية من الغشاء الأول إلى الأخير يتم تحقيقها من خلال استخدام النظام المهجن فى الوعاء الواحد سواء فى المرحلة الأول او الثانية أو من خلال وضع مضخة إضافية بين المرحلتين كل تحقق القوة الدافعة اللازمة لعملية التحلية فى حالة وجود مرحلتين مما يجعل النظام المهجن افضل من خلال استهلاك الطاقة الكلية لعملية التحلية مقارنة بغيره

عملية التوازن ايضا تحافظ على ثبات اداء الأغشية مما يزيد من العمر الإفتراضى لها وكذلك تقليل دورات الغسيل الكميائى .

تصميم أنظمة التناضح العكسى بين المرحلة الواحدة والمرحلتين للمياه قليلة الملوحة

Comparison of one stage and two stage –Brackish water Reverse Osmosis System

مقدمــــــــــــة :

تصنف انظمة التناضح العكسى كأهم تقنية لتحلية المياة سواء أكانت مياه قليلة الملوحة (كمياه الابار ) أو مياه عالية الملوحة (كمياه البحر).ويعتمد نظام التناضح العكسى فى مجمله على استخدام الاغشية لفصل الاملاح من المياه بواسطة ظروف تشغيل معينة .الوصول للقيم المثلى فى تشغيل محطات التناضح العكسى يعتبر من أهم التحديات اللى تواجه العاملين فى هذا المجال حتى بعد التطور الهائل فى أنظمة التحكم ولكن هناك كثير من التغييرات التى تطرأ على ظروف التشغيل كتغيير درجات الحرارة او عناصر المياه المراد تحليتها مما يؤثر على ظروف التشغيل .هناك مسئولية أخرى تقع على عاتق مصممين أنظمة التناضح العكسى وهى الوصول لأفضل ظروف تشغيل بناءا على التصميم المقترح سواء أكان هذا التصميم يعتمد على نسبة استخلاص عالية أو منخفضة بناءا على طبيعة المياة .فى هذا المقال سنستعرض سويا تصميم أنظمة التناضح العكسى فى صورة مرحلة واحدة وفى صورة مرحلتين وظروف تشغيل كلا منهما . والعوامل المؤثرة فى كل مرحلة كعدد الأغشية أو كمية المياة المتدفقة إلى النظام على نسبة الإستخلاص و كمية المياه المنتجة .

 

طبيعة النظام :

  • مصدر المياه –مياه قليلة الملوحة والمواد الصلبة الكلية الذائبة قيمتها تبلغ 13,400 ملليجرام / لتر .
  • الغشاء الذى تم استخدامه فى العملية BW30-4040 من انتاج FilmTec Corporation .
  • برنامج المحاكاة -تم استخدام برنامج تحليل انظمة التناضح العكسى – الاصدار الثاني – (ROSA (Reverse Osmosis System Analysis)
  • الشكلان التاليان يوضحان ماهية النظام وتكوينة من مرحلة واحدة ومن مرحلتين .

    النتائج

    1-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على معدل تدفق المياه المنتجة المحلاة من النظام .

    الرسم  البيانى التالى  رقم 1 يوضح فى حالة استخدام مرحلة واحدة لعملية التحلية ان اعلى معدل تدفق مياة منتجة محلاة من النظام 38.25 مترمكعب/يوم فى حين كان معدل التدفق الى النظام 60 متر مكعب / يوم وضغط مضخة الضغط العالى 39 بار باستخدام 8 اغشية فقط فى مرحلة واحدة .

  • وعندما نعقد المقارنة فى حالة اضافة مرحلة ثانية للنظام .فالرسم البيانى التالى رقم 2 يوضح ان معدل تدفق المياة المنتجة المحلاة من النظام ارتفع الى 43.74 متر مكعب/ يوم فى حين كان معدل التدفق إلى النظام 69 متر مكعب/يوم ومع انخفاض ضغط المضخة إلى 35 بار وتغيير عدد الأغشية إلى 16 غشاء على مرحلتين .
  • يتضح من خلال المقارنة بين نظام تم استخدام مرحلة واحدة ونظام اخر تم استخدام مرحلتين مع اختلاف عدد الأغشية ومع تغير معدل تدفق المياه إلى النظام خلصنا إلى انه فى حالة استخدام مرحلتين بدلا من مرحلة واحدة يقل ضغط المياه المتدفقة إلى النظام ويرتفع كمية المياه المنتجة المحلاه.

     

    2-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على كمية المواد الصلبة الذائبة الكلية  (TDS) فى المنتجة المحلاة من النظام .

    الرسم البيانى التالى رقم 3 يوضح فى حالة استخدام مرحلة واحدة لعملية التحلية ان اقل كمية مواد صلبة ذائبة فى المياه المحلاه هى 230 ملليجرام / لتر.  بالمقارنة فى الرسم البيانى رقم 4 فى حالة المرحلتين نجد ان اقل كمية مواد صلبة ذائبة فى المياه المحلاه هى 387.5 ملليجرام / لتر 

  • يتضح جليا من المقارنة بين المرحلتين انه فى حالة زيادة معدل  المياه المتدفقة إلى النظام تقل كمية المواد الصلبة الذائبة (TDS)  فى المياه المنتجة فى كلا الحالتين سواء أكانت مرحلة او مرحلتين .وكذاك زيادة ضغط المياة المتدفقة إلى النظام او عدد الأغشية يزيد من كمية المواد الصلبة الذائبة (TDS)  فى المياه المنتجة بشكل ملحوظ .

     

    3-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على نسبة الأستخلاص (Recovery)  .

    الرسم البيانى التالى رقم 5 و6 يوضحان فى حالة وجود مرحلة واحدة او مرحلتين  يؤثر بشكل واضح معدل تدفق المياه على نسبة الأستخلاص .فكلما زاد معدل التدفق للمياه إلى النظام تقل نسبة الاستخلاص .زيادة عدد الأغشية بالطبع يزيد من نسبة الاستخلاص .فأعلى نسبة استخلاص تحدث عند أقل معدل تدفق إلى النظام واعلى عدد من الأغشية بالاضافة إلى ان نسبة الاستخلاص فى المرحلتين اعلى من المرحلة الواحدة.

    تحت نفس ظروف معدل التدفق 60 متر مكعب /يوم لنظام المرحلة الواحدة باستخدام 8 أغشية نجد ان نسبة الإستخلاص 63.75 فى حين انه فى نظام المرحلتين بإستخدام 16 غشاء نجد ان نسبة الإستخلاص 71.28

  • 4-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على الطاقة النوعية (Specific Energy) .

    الرسم البيانى التالى رقم 7 و8  يوضحان تأثير معدل تدفق المياه إلى كلا  من نظام المرحلة الواحدة والمرحلتين وكذلك عدد الأغشية على مدى استهلاك الطاقة فى كلا منهما .فى نظام المرحلتين الطاقة النوعية المستهلكة تقل مقارنة بالمرحلة الواحدة نظرا لأن كمية المياه المنتجة المحلاة اصبحت اكثر وبالتالى تم توزيع الطاقة لكل متر مكعب من المياه المنتجة وزيادة عدد الأغشية يقلل ايضا بشكل ملحوظ استهلاك الطاقة.

    نلاحظ ايضا ان زيادة معدل التدفق يوثر على استهلاط الطاقة ولكن بنسبة ضيئلة ليست كما فى عدد الأغشية التى تؤثر بشكل ملحوظ .

    ففى نظام المرحلة الواحدة زاد معدل التدفق إلى النظام من 54 إلى 60 متر مكعب/يوم ولكن التغير فى الطاقة النوعية لم يتغير سوى 0.03 كيلو وات ساعة /متر مكعب فى حالة وجود 8 أغشية فى نظام المرحلة الواحدة .

    أما فى نظام المرحلتين زاد معدل التدفق إلى النظام من 60 إلى 69 متر مكعب/يوم ولكن التغيير فى الطاقة النوعية لم يتغير سوى 0.07 كيلو وات ساعة /متر مكعب فى حالة وجود 16 غشاء فى نظام المرحلتين .

    أما بالنسبة لزيادة عدد الأغشية من نظام المرحلة الأولى إلى نظام المرحلة الثانية تحت نفس ظروف معدل التدفق إلى النظام 60 متر مكعب /يوم نجد ان الطاقة النوعية لنظام المرحلة الواحدة باستخدام 8 أغشية 1.91 كيلو وات ساعة /متر مكعب وعند استخدام نظام المرحلتين باستخدام 16 غشاء نجد انه انخفض إلى 1.71 كيلو وات ساعة /متر مكعب .

  • الاستنتاجات :

    1-زيادة المياة المنتجة المحلاة تزيد بزيادة المياة المتدفقة إلى النظام وايضا بزيادة ضغط المياه المتدفقة الى النظام سواء فى نظام ذو مرحلة واحدة او مرحلتين .

    2-زيادة ضغط المياه المتدفقة إلى النظام يزيد من المياه المنتجة المحلاة ولكن يزيد نسبة المواد الصلبة الكلية الذائبة بها.

    3-زيادة الضغط يزيد من استهلاك الطاقة مما يؤثر على تكلفة التشغيل الكلية .

    4-زيادة الضغط تتناسب طرديا مع نسبة إزالة الأملاح (SR%) للنظام حتى تصل إلى قيمة معينة هذه القيمة تعتمد على طبيعة النظام ثم بعد ذلك تبدأ بالتناسب العكسى بعد هذه القيمة.

     

    بقلم  م / محمد أحمد عاشور

    مدير فني

  •  

    المراجع

    [1]Greenlee, L. F., D. F. Lawler, B. D.Freeman, B. Marrot, & P. Moulin,Reverse osmosis desalination: Water sources,technology, and today’s challenges, Water Research,Vol. 43, 2009,pp.2317 – 2348.

    [2] P. Poovanaesvaran, M.A. Alghoul, K.Sopian, N. Amin, M.I. Fadhel and M.Yahya, Design aspects of small-scale photovoltaic brackish water reverseosmosis (PV-BWRO) system,

    Desalination and Water Treatment, 27,2011, 210-223

    [3] M.A. Alghoul, P. Poovanaesvaran, K.Sopian, and M.Y. Sulaiman, Review of brackish water reverse osmosis(BWRO) system designs, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13,2009, 2661-2667

    [4] M.A. Alghoul, P. Poovanaesvaran, K.Sopian, and M.Y. Sulaiman,, Comparison of One Stage and Two Stage- Brackish Water Reverse Osmosis System: A Simulation study

Membrane Filtration Processes in Water Treatment

1.Introduction

              In 1748, the French physicist Nollet first noted that water would diffuse through a pig bladder membrane into alcohol. This was the discovery of osmosis, a process in which water from a dilute solution will naturally pass through a porous membrane into a concentrate solution. Over the years, scientists have attempted to develop membranes that would be useful in industrial processes, but it wasn’t until the late 1950s that membranes were produced that could be used for what is known as reverse osmosis. In reverse osmosis, water is forced to move through a membrane from a concentrate solution to a dilute solution.

Since that time, continual improvements and new developments have been made in membrane technology, resulting in ever-increasing uses in many industries. In potable water treatment, membranes have been used for desalinization, removal of dissolved inorganic and organic chemicals, water softening, and removal of the fine solids.

           In particular, membrane technology enables some water systems having contaminated water sources to meet new, more stringent regulations. In some cases, it can also allow secondary sources, such as brackish groundwater, to be used. There is great potential for the continuing wide use of membrane filtration processes in potable water treatment, especially as technology improves and costs are reduced.

Membrane separation systems have many advantages over traditional water or wastewater treatment processes, including [1–12]:

  • Fewer chemicals are used in the process, which helps minimize the negative impacts of those chemicals on the whole process.
  • Formation of absolute barriers to particle and pathogens. Microorganisms such as bacteria and viruses can be removed by size exclusion; ultra-pure water can therefore be produced.
  • Lower operating and maintenance costs in comparison to conventional systems consisting of coagulation, clarification, and aerobic and anaerobic treatments.
  • Membrane separation systems are easy to operate and the performance is more reliable.
  • Membrane systems give a compact and modular construction, which occupies less floor space in comparison to the conventional treatment systems. This becomes extremely attractive in the land-scarce countries such as Japan and Singapore.
  • Membrane systems followed by an evaporator (for low-volume highly concentrated effluent) can enable industries to achieve zero liquid discharge goals.
  • One-stop reduction or elimination of most contaminants (impurities) in the wastewater stream, e.g., total dissolved solids (TDS), chemical oxygen demand (COD), 5-d biochemical oxygen demand (BOD5), total organic carbon (TOC), color, suspended solids, nitrogen, phosphorus, and heavy metals.
  • Permeate can be suitably reused resulting in water conservation, which reduces the intake

of raw water and provides savings on raw water processing costs.

  1. Membrane Filtration

              A membrane is a thin layer of semi-permeable material that separates substances when a driving force is applied across the membrane. Membrane processes are increasingly used for removal of bacteria, microorganisms, particulates, and natural organic material, which can impart color, tastes, and odors to water and react with disinfectants to form disinfection byproducts.

  1. Description of Membrane Filtration Processes

        In the simplest membrane processes, water is forced through a porous membrane under pressure, while suspended solid, large molecules or ions are held back or rejected.

  1. Types of Membrane Filtration Processes

       The two general classes of membrane processes, based on the driving force used to make the process work, are:

  • Pressure-driven processes
  • Electric-driven processes

4-1.Pressure-Driven Processes

      The four general membrane processes that operate by applying pressure to the raw water are:

  • Microfiltration
  • Ultrafiltration
  • Nanofiltration
  • Reverse Osmosis

Microfiltration

        Microfiltration (MF) is a process in which water is forced under pressure through a porous membrane. Membranes with a pore size of ranging from 0.1 to 10.0 um are normally used; this size is relatively large compared with the other membrane filtration processes. This process has not been generally applicable to drinking water treatment because it either does not remove substances that require removal from potable water, or the problem substances can be removed more economically using other processes. The current primary use of MF is by industries to remove very fine particles from process water, such as in electronic manufacturing. In addition, the process has also been used as a pretreatment for other membrane processes. In particular, RO membranes are susceptible to clogging or filter binding unless the water being processed is already quite clean.

       However, in recent years, microfiltration has been proposed as a filtering method for particles resulting from the direct filtration process. Traditionally, this direct filtration process has used the injection of coagulants such as alum or polymers into the raw water stream to remove turbidity such as clay or silts. The formed particles were then removed by rapid sand filters. The use of filter aids to improve filtering efficiency, especially for small particles that could contain bacterial and protozoan life are recommended.

 

Ultrafiltration

       Ultrafiltration (UF) is a process that uses a membrane with a pore size generally below 0.1 um. The smaller pore size is designed to remove colloids and substances that have larger molecules, which are called high-molecular-weight materials. UF membranes can be designed to pass material that weigh less than or equal to a certain molecular weight.

This weight is called the molecular weight cutoff (MWC) of the membrane. Although UF does not generally work well for removal of salt or dissolved solids, it can be used effectively for removal or most organic chemicals.

       Most UF membranes are made from polymeric materials, such as, polysulfone, polypropylene, nylon 6, PTFE, polyvinyl chloride, and acrylic copolymer. Inorganic materials such as ceramics, carbon-based membranes, and zirconia, have been commercialized by several vendors.

Applications of UF process for water and wastewater treatment include:

  • Oil emulsion waste treatment
  • Production of ultra-pure water for electronics industry
  • Reduction of high COD levels in corn starch plants
  • Selective removal of dissolved toxic metals from groundwater in combination with chemical treatment
  • Treatment of whey in dairy industries
  • Wine or fruit juice clarification

Nanofiltration

         Nanofiltration (NF) is a process using membranes that will reject even smaller molecules that UF. The process has been used primarily for water softening and reduction of total dissolved solids (TDS). NF operates with less pressure that reverses osmosis and is still able to remove a significant proportion of inorganic and organic molecules. This capability will undoubtedly increase the use of NF for potable water treatment. NF membranes can be used to produce drinking water, because they have good molecular rejection characteristics for divalent cations, e.g., calcium and magnesium.

       Membranes used for NF are made of cellulose acetate and aromatic polyamide with characteristics such as salt rejections from 95% for divalent salts to 40% for monovalent salts and an approximate MWCO of 300 for organics. An advantage of NF over RO is that NF can typically operate at higher recoveries, thereby conserving total water usage due to a lower concentrate stream flow rate. NF is not effective on small-molecular weight organics, such as methanol.

Reverse Osmosis

       Reverse Osmosis (RO) is a membrane process that has the highest rejection capability of all the membrane processes. These RO membranes have very low MWC pore size that can reject ions at very high rates, including chloride and sodium. Water from this process is very pure due to the high reject rates. The process has been used primarily in the water industry for desalinization of seawater because the capital and operating costs are competitive with other processes for this service. The RO also works most organic chemicals, and radionuclides and microorganisms. Industrial water uses such as semiconductor manufacturing is also an important RO process.

      Almost all RO membranes are made of polymers, cellulosic acetate and matic polyamide types, and are rated at 96–99% NaCl rejection. RO membranes are generally of two types, asymmetric or skinned membranes and thin film composite membranes. The support material is commonly polysulfones, while the thin film is made from various types of polyamines and polyureas.

Reverse osmosis membranes have been used widely for water treatment such as ultrapure water makeup, pure boiler water makeup in industrial fields, seawater and brackish water desalination in drinking water production, and wastewater treatment and reuse in industrial,

agricultural, and indirect drinking water production as shown in Table 1.

Table 1. Application of reverse osmosis membrane process [13]

Industrial use Drinking water Wastewater treatment and reuse
Ultrapure water, boiler water, process pure water, daily industries. Sea water desalination ,brackish water desalination Industrial water, agriculture water, indirect Drinking water

Other common applications of RO include:

  1. Desalination of seawater and brackish water for potable use. This is very common in coastal areas and. the Middle East where supply of fresh water is scarce.
  2. Generation of ultrapure water for the microelectronics industry.
  3. Generation of high-purity water for pharmaceuticals.
  4. Generation of process water for beverages (fruit juices, bottled water, beer).
  5. Processing of dairy products.
  6. Concentration of corn sweeteners.
  7. Waste treatment for the recovery of process materials such as metals for the metal finishing industries, and dyes used in the manufacture of textiles.

8. Water reclamation of municipal and industrial wastewaters

4-2.Electric-Driven Processes

There are two membrane processes that purify a water stream by using an electric current to move ions across a membrane. These processes are:

  • Electrodialysis
  • Electrodialysis reversal

Electrodialysis

Electrodialysis (ED) is a process in which ions are transferred through a membrane as a result of direct electric current applied to the solution. The current carries the ions through a membrane from the less concentrated solution to the more concentrated one.

Electrodialysis Reversal

Electrodialysis Reversal (EDR) is a process similar to ED, except that the polarity of the direct current is periodically reversed. The reversal in polarity reverses the flow of ions between demineralizing compartments, which provides automatic flushing of scale forming materials from the membrane surface. As a result, EDR can often be used with little or no pretreatment of feed water to prevent fouling. So far, ED and EDR have been used at only a few locations for drinking water treatment.

By

Ahmed Ahmed Elserwy

Water & Environmental Consultant

Ain Shames University, Faculty of Science

References

  1. H. S. Ong, Challenges ahead for Singapore’s water supply. Seminar on Ensuring Singapore’s Water Supply: Options and Issues, Shangri-la Hotel, 10–11 Nov. (1997).
  2. M. Joel, E. O. Peter, and R. W. Mark, Water Treatment Membrane Process, McGraw-Hill Company, New York, 1996, pp. 17.1–17.31.
  3. S. Judd and B. Jefferson (eds.), Membrane for Industrial Wastewater Recovery and Re-use, Elsevier Advanced Technology, Oxford, 2003.
  4. J. P. Chen, S. L. Kim, and Y. P. Ting, Optimization of feed pretreatment for membrane filtration of secondary effluent. Journal of Membrane Science 219, 27–45 (2003).
  5. S. L. Kim, J. P. Chen, and Y. P. Ting, Study on feed pretreatment for membrane filtration of secondary effluent. Separation & Purification Technology 29, 171–179, 2002.
  6. R. D. Letterman (ed.), Water Quality and Treatment, A Handbook of Community Water Supplies, 5th ed., McGraw-Hill, New York, 1999.
  7. W. S. W. Ho and K. K. Sirkar (eds.),Membrane Handbook, Chapman & Hall,New York, 1992.
  8. Singapore Public Utilities Board. Singapore Water Reclamation Study, Expert Panel Review and Findings. Singapore (2002).
  9. T. Matsuura, Progress in membrane science and technology for seawater desalination—a review. Desalination 134, 47–54 (2001).
  10. T. Matsuura, Synthetic Membranes and Membrane Separation Processes, CRC Press, Boca Raton, FL, 1994.
  11. T. Matsuura and S. Sourirajan, Studies on reverse osmosis for water pollution control. Water Research 6, 1073–1086 (1972).
  12. Metcalf and Eddy, Inc. (ed.), Wastewater Engineering: Treatment Disposal and Reuse, 4th ed., McGraw-Hill, New York, 2002.
  13. Norman N. Li, Anthony G. Fane, W. S. Winston Ho, and T. Matsuura, Advanced Membrane Technology and Applications, 2008 John Wiley & Sons, Inc.

 الإسموزية والضغط الإسموزي  (محاولة تفسير وفهم لظاهرة فيزيائية )

عند الوصول إلي حالة الإتزان ، فإن جانب المحلول الأعلي في التركيز يحصل علي ارتفاع أكبر في منسوب المحلول من جانب المحلول الأقل في التركيز رغم تساوي ارتفاع المحلولين علي جانبي الغشاء في البداية.إن الإسموزية هي عملية طبيعية تلقائية ديناميكية وفيها تنتقل جزيئات الماء أو المذيب خلال غشاء شبه منفذ من الوسط الأقل إلي الوسط الأعلي في تركيز المواد الذائبة لتعادل تركيز المحلولين علي جانبي الغشاء . وهي عملية مهمة وتلعب دورا متكاملا في كثير من الأنظمة البيولوجية ، والأنسجة الحية من أجل الحفاظ على بيئة داخلية مثالية ، وكذلك إنتقال المياه إلي النبات من التربة عبر أغشية الجذر وهو مهم لعملية البناء الضوئي وغيره من العمليات الحيوية الهامة.

هذا الفرق في الإرتفاع الناتج بين المحلولين علي جانبي الغشاء شبه المنفذ عند الإتزان هو ما يسمي بالضغط الإسموزي ، وبمعني أخر هو الضغط الخارجي المطلوب لمنع تدفق المياه بين المحلولين المختلفين في التركيزعبر الغشاء شبة المنفذ.

والسؤال الواضح الذي يطرح نفسه هو كيف يمكن أن يتحرك المذيب عبر غشاء شبه منفذ من منطقة ذات ضغط تناضحي أقل إلى ضغط تناضحي أعلى متغلبا على الضغط الهيدروستاتيكي.

على سبيل المثال ، في الشكل الموضح أدناه ، يتم فصل ذراعي أنبوب عن طريق غشاء شبه نفاذ حيث يحتوي الذراع الايمن على محلول ذو تركيز منخفض من المذاب مقارنة بتركيز محلول ذراع الجانب الأيسر.

في البداية ، يكون المستوى هو نفسه في ذراعي الأنبوب . عندما يبدأ التناضح ، فإنه يدفع المذيب من ذراعه اليمني إلى ذراعه اليسرى عبر الغشاء شبه النفاذ ، حتى يساوي الضغط التناضحي في الذراع الأيمن مع الضغط الهيدروستاتيكي الذي يمارسه الذراع الأيسر.

وعلى الرغم من أن التناضح هو ظاهرة مألوفة ، وله أهمية محورية في النظم الطبيعية ، إلا أنه نادراً ما يفسر كيف يمكن أن يعمل على المستوى الجزيئي. وفي حين أن هناك العديد من النظريات والتفسيرات التي حاولت تفسير الخاصية الاسموزية ، فإن كل منها استطاع تفسير جزء من ظواهر تلك العملية وأخفق في تفسير جزء أخر ولا يوجد حتي الأن رؤية شاملة لماذا تحدث الخاصية الأسموزية ؟ وفي هذا المقال سيتم استعراض ومناقشة ثلاثة من أهم تلك التفسيرات: 1- الإنتشار بسبب التدرج المفترض لتركيز المياه ، 2- جزيئات المياه المقيدة ، 3- عدد الجسيمات أو ضغط البخار لفانت هوف .

الإنتشار بسبب التدرج المفترض لتركيز المياه

هو تفسير بسيط جدا للتناضح ، حيث أن جزيئات المياه تنتقل وتنتشر عبر التدرج في تركيزها من المحلول النقي حيث يكون الماء هو أكثر تركيزاً من المحاليل التي تحتوي علي مواد مذابة لأن المذاب يجب أن يأخذ بعض المساحة في المحلول فتخفيف الماء عن طريق المذاب يؤدي إلى انخفاض تركيز الماء ، وبالتالي يحدث انتشار للماء على طول التدرج في تركيزها من المرتفع إلى المنخفض .

يبدو تفسير جيد ، أليس كذلك ؟ لكن هناك خطأ ما.

فمثلا لو افترضنا أن المحلولين علي جانبي الغشاء أحدهما من الماء النقي والأخر محلول من السكر ، فلماذا لا تتدفق المياه بشكل عشوائي عبر مسام الغشاء في أي من الاتجاهين ، مما يؤدي إلى عدم وجود ضغط تناضحي؟

نعم ، تركيز الماء أقل على الجانب الذي به محلول السكر ، ولكن ماذا يعني ذلك لأي مسام فردية؟ إذا لم يكن جزيء السكر بالقرب من المسام ، فإن تركيز الماء هو نفسه على جانبي المسام ، وإذا كان جزيء السكر قريبًا بما يكفي من المسام ليحجب جزءاً منها ويمنع جزيئات الماء من الهروب ، فإنه يجب أن يمنع تدفق المياه في كلا الاتجاهين ، دون تمييز ، فقد تضرب جزيئات الماء التي تحاول اختراق المسام من الجانب الأخر جزيء السكر ، لكن جزيئات الماء في نفس الجانب تدفع أيضًا جزيء السكر.

أيضاً إذا كان هذا صحيحًا ، فيجب أن يكون تركيز الماء قادراً على التنبؤ باتجاه التناضح عند استخدام المذيبات المختلفة. على سبيل المثال ، يحتوي محلول السكروز(0.2 مولالي أي على 0.2 مول من السكر في كيلوغرام من الماء) على تركيز مائي يبلغ 937 جم / لتر ، بينما يحتوي محلول كلوريد الصوديوم (0.2 مولالي) على تركيز ماء أعلى بكثير – 989 جم / لتر.  ولذلك يجب أن يحصل محلول السكروز على الماء من محلول كلوريد الصوديوم إذا تم فصل الاثنين عن طريق غشاء نصف نافذ .

لكن الحقيقة هي أن المحلول الملولاي للسكروز مع إحتواءه علي تركيز ماء أقل من نفس تركيز المحلول المولالي لكلوريد الصوديوم يزيح المزيد من الماء في إتجاه محلول كلوريد الصوديوم لذلك ، لا يبدو أن تدرج تركيز الماء مهم.
لذلك هذا التفسير لا يمكن الدفاع عنه.

تفسير المياه المقيدة

هذا يعني أن أي مادة قابلة للذوبان في الماء (مثل السكروز أو كلوريد الصوديوم) سوف يرتبط بجزيئات المياه ويكون الجزئات أو الأيونات المماه ويمنع جزيئات الماء تلك من التحرك بحرية . لذلك ، فإن جانب غشاء شبه المنفذ والذي به بماء نقي له تركيز ماء “حر” أعلى من الجانب الذي به جزيئات ذائبة .

أو بطريقة أخري فإن المياه تنتقل من المحاليل المائية ذات الجهد الكيميائي الأكبر إلي المحاليل ذلت الجهد الكيميائي الأقل عند فصلهم بغشاء شبه منفذ ،حيث أن المياه النقية ذات جهد كيميائي أكبر.

ولكن إذا تحرك الماء في اتجاه من الجهد الكيميائي الأعلي إلى الجهد الكيمائي الأقل على أساس تركيز المذاب فقط ، فمثلا  إذا  كنت تفصل محلولين من ملح كلوريد الصوديوم والسكروز لهما نفس التركيز المولي بغشاء شبه منفذ ، يجب أن ينتقل الماء من جانب كلوريد الصوديوم (المول 58.5 جرام) حيث يوجد المزيد من الماء لجانب السكروز(المول 342 جرام) ، حيث يوجد ماء أقل. لكن هذا لا يحدث ، حيث يمتص محلول كلوريد الصوديوم الماء أكثر .

والواقع الفعلي هو أن التناضح لا يعتمد على درجة إماهة ولا حجم جزيئات المذاب بقدر ما يعتمد علي عدد جزيئات المذاب .

عدد الجسيمات أو قانون فانت هوف .

يستند هذا التفسير على قانون فانت هوف. وفقا لهذا القانون لمحلول مخفف في درجة حرارة ثابتة ، فإن الجهد التناضحي يتناسب مع تركيز وعدد جزيئات المذاب. وليس حجم أو طبيعة الجزيئات المذابة فقط . لذلك ، على سبيل المثال ، سيكون لأيون الصوديوم الصغير نفس التأثير التناضحي مثل جزيء السكروز الكبير ، وكلاهما سيعادل جزيء نشا كبير جدا. هذا يعني أيضا أن المواد المؤينة مثل كلوريد الصوديوم يجب أن يكون لها تأثير تناضحي أكبر من المواد غير المؤينة مثل السكروز لأنه عندما تتأين ، فإنها تولد المزيد من الجسيمات . قانون فانت هوف يفسر إلى حد ما التناضح بشكل أفضل من التفسرين السابقين ، ولكن الحقيقة هي أن قانون فانت هوف هو علاقة تجريبية ، وليس وصفاً مادياً لماذا يحدث التناضح.

π = iMRT

حيث ، π هو الضغط التناضحي للمحاليل

i هو معامل فانت هوف.

M = التركيز المولي mol / L.

R = الثابت العام للغازات  L · atm / mol    0.08206= K

T = درجة الحرارة المطلقة في K= 273 + °C))

ولذلك فإن الضغط التناضحي يعتمد على 1- التركيز المولي للمادة المذابة 2- عامل فانت هوف ، وهو يعبر عن مدى ترابط أو تفكك المواد الذائبة في المحلول أو عدد الجسيمات التي يتفكك فيها المذاب في الماء ، فمثلا السكروز = 1 وكلوريد الصوديوم = 2 .

مثال : ما هو الضغط التناضحي لمحلول 1.00 مولار من السكروز عند 25 درجة مئوية؟

عندما ندخل في المعادلة ، لدينا:

(π = i (1.00 mol / L) (0.08206 L atm / mol K) (298 K)

ومع ذلك ، هناك  مجهولين: π وهو ما نريد ، و i معامل فانت هوف

وهو ثابت تجريبي بدون وحدة يرتبط بدرجة تفكك المذاب ، وهذا يعني أنه مجرد رقم مثل 1 أو 2 يجب أن نحدده بالتجربة . ويمكنك التنبؤ بما يمكن أن تكون عليه القيمة النظرية ، ولكن القيمة الحقيقية لا توجد إلا في التجربة ، وهو يمثل “درجة التفكك”. وبذلك يكون معامل فانت هوف للسكروز هو 1 ، لأن السكروز لا يتأين في المحلول وتبقى جزيئات كاملة. وبالتالي فإن الجواب هو (24.4atm).

مثال أخر : ما هو الضغط التناضحي (عند 25 درجة مئوية) لمياه البحرتحتوي على حوالي 35.0 جرام من كلوريد الصوديوم لكل لتر. (تحتوي مياه البحر على أملاح أخرى ، ولكننا سنقوم بتجاهلها.)

نحول جرام إلى مول:

35.0 جم / لتر ÷ 58.443 جم/ مول = 0.599 مول / لتر

الآن ، قم بتوصيل المعادلة:

π = (i) (0.599 مول / لتر) (0.08206 لتر atm / mol K) (298 K)

ولكن ما  قيمة معامل فانت هوف لمحلول كلوريد الصوديوم؟

عندما يتأين كلوريد الصوديوم في المحلول ، فإنه ينتج أيونات الصوديوم والكلوريد. حيث ينتج مول واحد من كلوريد الصوديوم مول من كل نوع من الأيونات. لذا فإن عامل فانت هوف نظريا يساوي 2 ، ومع ذلك ، سنستخدم 1.8

لذا ، فان الحل:

π = (1.8) (0.599 mol/L) (0.08206 L atm / mol K) (298 K)

π = 26.4 atm

لماذا استخدم 1.8 لمعامل فانت هوف بدلاً من 2 ؟

هذا له علاقة بمفهوم يسمى الإقتران الأيوني . حيث أن عدد معين من أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد يجتمعان عشوائياً معًا ويكوّنا أيون كلوريد الصوديوم المزدوج . هذا يقلل من العدد الإجمالي للجسيمات في المحلول ، وبذلك يقلل معامل فانت هوف.

بقلم م/ يحيي علي

 

المصادر :

Water Desalination

Introduction

Only 1 percent of the earth’s water is liquid freshwater; 97 percent of available water resources are contaminated by salt. This makes desalination an essential component of efforts to address water shortages, especially in densely populated coastal regions. Egypt faces nowadays severe challenges to our ability to meet our future water needs, So we as a nation will need to make additional water resources available to all segments of our nation’s and provide additional water resources at a cost and in a manner that supports urban, rural and agricultural prosperity and environmental protection; Meeting these challenges may lead us to use saline water for a greater national focus on water conservation.

Desalination Definition

Desalination is a process that removes salts and other dissolved solids from brackish Water or seawater.

Brackish water and seawater

Brackish water is saltier than fresh water, but not as salty as seawater. Brackish water usually has a salt concentration between 5 and 20 parts per thousand (ppt) and seawater generally has a concentration of salt greater than 20 ppt. Brackish waters may also be found in aquifers.

Water type and Total Dissolved Solid:

TDS(mg/l) Water type
0-1000 Sweet waters
1000-5000 Brackish waters
5000-10000 Moderately saline waters
10000-30000 Severely saline waters
More than 30000 Seawater

Significance of Desalination

  • Desalination technologies will contribute significantly to ensuring a safe, sustainable, Affordable, and adequate water supply for Egypt.
  • Provide safe water: A safe water supply is one that meets all drinking water standards, meets all standards for use by agricultural and industrial interests, and that strives to move toward greater water security during drought, natural disasters, transport.
  • Ensure the sustainability of the nation’s water supply: A sustainable water supply is one that meets today’s needs without jeopardizing the ability to meet the needs of future generations.
  • Keep water affordable: An affordable water supply is one that provides water to the nation’s future citizenry at rates comparable to that of today.
  • Ensure adequate supplies: An adequate water supply is one that guarantees local and regional availability of water.

Desalination techniques:

1.      Distillation:

  • Multi-stage flash distillation (MSF)
  • Multiple-effect evaporator (MED|ME)
  • Vapor-compression evaporation (VC)

2.      Membrane processes:

  • Electrodialysis reversal (EDR)
  • Reverse osmosis (RO)

1.1. Multi-stage flash distillation

Multi-stage flash distillation (MSF) is a water desalination process that distills sea water by flashing a portion of the water into steam in multiple stages of what are essentially countercurrent heat exchangers. Multi-stage flash distillation plants produce [64%] percent of all desalinated water in the world, although a different type of desalinators, Reverse osmosis plants, are more numerous.

1.1.1. Principle:                                               

The plant has a series of spaces called stages, each containing a heat exchanger and a condensate collector. The sequence has a cold end and a hot end while intermediate stages have intermediate temperatures. The stages have different pressures corresponding to the boiling points of water at the stage temperatures. After the hot end there is a container called the brine heater. When the plant is operating in steady state, feed water at the cold inlet temperature flows, or is pumped, through the heat exchangers in the stages and warms up. When it reaches the brine heater it already has nearly the maximum temperature. In the heater, an amount of additional heat is added. After the heater, the water flows through valves back into the stages which have ever lower pressure and temperature. As it flows back through the stages the water is now called brine, to distinguish it from the inlet water. In each stage, as the brine enters, its temperature is above the boiling point at the pressure of the stage, and a small fraction of the brine water boils (“flashes”) to steam thereby reducing the temperature until equilibrium is reached. The resulting steam is a little hotter than the feed water in the heat exchanger. The steam cools and condenses against the heat exchanger tubes, thereby heating the feed water as described earlier.

Fig.1 The schematic representation for MSF technique

1.2. Multiple-effect distillation (MED)                                                                                              

Multiple-effect distillation is a distillation process often used for sea water desalination. It consists of multiple stages or “effects”. In each stage the feed water is heated by steam in tubes. Some of the water evaporates, and this steam flows into the tubes of the next stage, heating and evaporating more water. Each stage essentially reuses the energy from the previous stage.

The tubes can be submerged in the feed water, but more typically the feed water is sprayed on the top of a bank of horizontal tubes, and then drips from tube to tube until it is collected at the bottom of the stage.

1.2.1. Principle:                                                                                     

The plant can be seen as a sequence of closed spaces separated by tube walls, with a heat source in one end and a heat sink in the other end. Each space consists of two communicating subspaces, the exterior of the tubes of stage n and the interior of the tubes in stage n+1. Each space has a lower temperature and pressure than the previous space, and the tube walls have intermediate temperatures between the temperatures of the fluids on each side. The pressure in a space cannot be in equilibrium with the temperatures of the walls of both subspaces. It has an intermediate pressure. Then the pressure is too low or the temperature too high in the first subspace and the water evaporates. In the second subspace, the pressure is too high or the temperature too low and the vapor condenses. This carries evaporation energy from the warmer first subspace to the colder second subspace. At the second subspace the energy flows by conduction through the tube walls to the colder next space.

Fig.2 The schematic representation for MED technique

1.3. Vapor-compression desalination
                                                     

The VC operates mainly at a small scale, on small locations. The main mechanism is similar to MED except that it is based on compression of the vapor generated by evaporating water to a higher pressure, Which allows reuse of the vapor for supplying heat for the evaporating process.

Membrane desalination:

2.1. Electrodialysis reversal                                          

It is an  electro dialysis reversal water desalination membrane process that has been commercially used since the early 1960s. An electric current migrates dissolved salt ions, including  fluoridesnitrates and sulfates, through an electrodialysis stack consisting of alternating layers of cationic and anionic ion exchange membranes. Periodically, the direction of ion flow is reversed by reversing the polarity applied electric current.

2.2. Reverse osmosis                                                               

Reverse osmosis (RO) is a filtration method that removes many types of large molecules and ions from solutions by applying pressure to the solution when it is on one side of a selective membrane. The result is that the solute is retained on the pressurized side of the membrane and the pure solvent is allowed to pass to the other side. To be “selective,” this membrane should not allow large molecules or ions through the pores (holes), but should allow smaller components of the solution (such as the solvent) to pass freely.

Fig.3 The schematic representation for RO technique

Advantages and disadvantages of desalination techniques:

Desalination type Usage Advantages Disadvantages
Multi-stage flash distillation (MSF)

Desalination process that distills seawater by flashing a portion of the water into steam in multiple stages of what are essentially regenerative heat exchangers.

Accounts for 85% of all desalinated water; used since early 1950s MSF plants, especially large ones, produce a lot of waste heat and can therefore often be paired with cogeneration High operating costs when waste heat is not available for distillation. High rates of corrosion
Multiple-effect evaporator (MED|ME)

Using the heat from steam to evaporate water. In a multiple-effect evaporator, water is boiled in a sequence of vessels, each held at a lower pressure than the last.

Widely used, since 1845 High efficiency, while relatively inexpensive A large heating area is required
Vapor-compression evaporation (VC)

Evaporation method by which a blower, compressor or jet ejector is used to compress, and thus, increase the temperature of the vapor produced.

Mainly used for wastewater recovery Technique copes well with high salt content in water
Evaporation/condensation

Evaporation of seawater or brackish water and consecutive condensation of the generated humid air, mostly at ambient pressure.

Widely used Easiest method of distillation Time-consuming and inefficient in comparison to other techniques
Electrodialysis reversal (EDR)

Electrochemical separation process that removes ions and other charged species from water and other fluids.

Widely used, since early 1960s Long membrane lifetime and high efficiency (up to 94% water recovery, usually around 80%) High capital and operational costs
Reverse osmosis (RO)

Separation process that uses pressure to force a solvent through a membrane that retains the solute on one side and allows the pure solvent to pass to the other side.

Widely used, first plant installed in Saudi Arabia in 1979 In water purification, effectively removes all types of contaminants to some extent Requires more pretreatment of the seawater and more maintenance than MSF plants
Nanofiltration (NF)

Nanofiltration membranes have a pore size in the order of nanometers and are increasingly being used for water desalination.

Emerging technology Very high efficiency High capital cost, unknown lifetime of membrane, no large-scale plant built yet
Membrane distillation (MD)

In membrane distillation, the driving force for desalination is the difference in vapor pressure of water across the membrane, rather than total pressure.

Widely used Low energy consumption, low fouling

Considerations in water desalination:

1. Cogeneration:

Cogeneration is the process of using excess heat from power production to accomplish another task. Theoretically any form of energy production could be used. However, the majority of desalination plants use either fossil fuels or nuclear power as their source of energy. Most plants is located in the Middle East or North Africa, due to their petroleum resources.

2. Economics:

A number of factors determine the capital and operating costs for desalination: capacity and type of facility, location, feed water, labor, energy, financing, and concentrate disposal

 Desalination stills now control pressure, temperature and brine concentrations to optimize the water extraction efficiency. In places far from the sea, like New Delhi, or in high places, like Mexico City, high transport costs would add to the high desalination costs. One needs to lift the water by 2,000 meters (6,600 ft), or transport it over more than 1,600 kilometers (990 mi) to get transport costs equal to the desalination costs. Thus, it may be more economical to transport fresh water from somewhere else than to desalinate it. Desalinated water is also expensive in places that are both somewhat far from the sea and somewhat high, such as Riyadh .Israel is now desalinating water at a cost of US$0.53 per cubic meter.[17] Singapore is desalinating water for US$0.49 per cubic meter

3. Environmental:

One of the main environmental considerations of ocean water desalination plants is the impact of the open ocean water intakes, especially when co-located with plants. These intakes are no longer viable without reducing mortality, by ninety percent, of the life in the ocean; the plankton, fish eggs. Other environmental concerns include air pollution and greenhouse gas emissions from the power plants. To limit the environmental impact of returning the brine to the ocean, it can be diluted with another stream of water entering the ocean. Discharges of brine into sea water have the potential to harm ecosystems, especially marine environments in regions with low turbidity and high evaporation that already have elevated salinity. Examples of such locations are the Persian Gulf, the Red Sea and The UAE, Qatar, Bahrain, Saudi Arabia, Kuwait and Iran have 120 desalination plants between them. These plants flush nearly 24 tons of chlorine, 65 tons of algae-harming antiscalants used to descale pipes, and around 300kg of copper into the Persian Gulf every day.

Conclusion:

Desalination process provides safe water and ensures the sustainability of the nation’s water supply. Egypt should do their best to use our sources such as solar energy and wind to use it as an inexpensive techniques for seawater desalination.

By

Amal  Sayed Moustafa Elsonbaty

Environmental Researcher