Characterization of a thermoresponsive draw agent for water desalination via forward osmosis

Forward Osmosis (FO) is a very promising emerging technology, but some aspects have to be better characterized in order to make it competitive with respect to other affirmed technologies. One of these aspects is the selection of the draw agent. Previous studies have identified a thermoresponsive copolymer known as PAGB2000 as potential draw agent. Since in open literature there are no information related to the thermophysicial properties necessary for a full understaning of PAGB2000 behavior, different experimental campaigns have been conducted to determine them. The results obtained show us that thanks to its feature of being thermoresponsive this copolymer can be easily separated from water: at low temperature the two substances are perfectly miscible, while when the solution is heated up it is visibale a cahnge in the polymer behavior, with the two substances that are no more miscible and two dstincted phases are formed. Once these conditions are met, to prmote the separation the mixture enters in the coalescer, a mechanical liquid-liquid separator that allow to obtain as final results two different fluxes, one rich in polymer and the other rich in water. Another feature extrapolated is the high osmotic pressure of the solution for temperature next to the ambient one, that allow us to have high membrane performances and produce a good quantity of desalinated water. Problems arrive instead when the temperature increase reaching values of about 40°C. At these conditions the experimental results show a drop in the osmotic pressure, that become more than ten times lower with respect to the values at 25°C. It is therefore of great importance design the process in order to not enter in the membrane with too high temperatures. Once the experiments defined the properties, the computanional model that simulates the whole desalination process has been updated. In this way it has been possible to analyze the performances of the FO desalination technolgy with PAGB2000 as draw agent and compare them first with the performances of the same model with incomplete information of the polymer, and then with the ones of other technologies. The results show that the updated model present good performances in terms of recovery ratio RR (8% - 14%), specific electric consumption E_el (0.9 kWh/m^3 - 1.3 kWh/m^3) and specific thermal consumption Q_th (40 kWh/m^3 - 66 kWh/m^3). PAGB2000 can therefore be considered a very interesting draw agent, and FO technology can represent an important solution to face the problem of water scarcity in particular thanks to its electric consumption thart is lower than any other technology.

L'osmosi diretta è una tecnologia di desalinizzazione che sembra molto promettente ma ci sono alcuni aspetti che sono oggetti di ricerca e che è necessario ottimizzare per rendere questa tecnologia competitiva rispetto a altri impianti di desalinizzazione più diffusi. Tra gli aspetti su cui fare ricerca, di grande importanza è la scelta della soluzione concentrata da utilizzare all'interno dell'impianto che deve possedere diverse caratteristiche affinché la membrana di osmosi diretta faccia passare una buona quantità d'acqua e il processo di rigenerazione della soluzione concentrata utilizzi poca energia. Studi fatti in precedenza hanno identificato un polimero termosensibile, chiamato PAGB2000, come potenziale soluzione concentrata. Siccome in letteratura ci sono poche informazioni relative alle sue proprietà termo-fisiche necessarie per comprendere a pieno le sue potenzialità, sono state condotte diverse campagne sperimentali per determinarle. I risultati ottenuti mostrano che il polimero PAGB2000 ha diversi vantaggi. Uno di questi è che grazie alla sua natura termosensibile può essere separato dall'acqua raggiungendo temperature in cui le due sostanze diventano immiscibili tra di loro. Una volta raggiunte queste condizioni sarà sufficiente poi mandare la soluzione riscaldata all'interno del coalescer, un componente meccanico che favorisce la separazione liquido-liquido, per separare definitivamente le due sostanze e ottenere due diversi flussi, uno che sarà ricco di acqua e l'altro ricco di polimero. Un altro vantaggio è legato ai valori di pressione osmotica della soluzione quando è a temperature vicine a quella ambiente (circa 25°C), che essendo alti permettono a una buona quantità di acqua marina di filtrare all'interno dell'impianto già desalinizzata. I problemi arrivano invece quando la soluzione raggiunge temperature più alte vicine a quelle di smiscelazione (circa 40°C). A queste temperature la pressione osmotica della soluzione crolla a valori addirittura inferiori rispetto alla pressione osmotica dell'acqua marina. Risulta quindi di fondamentale importanza nella fase di progettazione prestare attenzione allo scambio termico all'interno della membrana e alle temperature che la soluzione concentrata raggiunge, per avere buone prestazioni. Una volta definite tutte le proprietà necessarie, queste sono state inserite all'interno di un modello computazionale che simula l'impianto di desalinizzazione nel suo complesso, che è stato sviluppato in passato ma che conteneva valori inesatti delle proprietà del PAGB2000. In questo modo è stato possibile poi confrontare i risultati ottenuti col nuovo modello prima con quelli ottenuti in precedenza, e poi con le prestazioni delle altre tecnologie di desalinizzazione. I risultati ottenuti hanno mostrato che anche con i nuovi parametri la desalinizzazione tramite osmosi diretta ha del potenziale considerando il recovery ratio ottenuto (8%-14%), il consumo specifico elettrico (0.9 kWh/m^3 - 1.3 kWh/m^3) e il consumo specifico termico (40 kWh/m^3 - 66 kWh/m^3). Dal confronto col vecchio modello si è notato un peggioramento sotto qualche aspetto rispetto, ma comunque l'osmosi diretta è una soluzione da considerare, in particolare grazie al suo consumo elettrico che è minore rispetto a qualsiasi altra tecnologia, per affrontare il problema legato alla scarsità di acqua nel mondo.