Experimental characterization of coalescer operations for desalination plants based on forward osmosis

Coupling the desalination processes with the renewable energy sources (RES) might be a sustainable and efficient way to overcome the world water demand. In this context, liquid-liquid separators, mainly used in the petrochemical sector, were recently proposed in several desalination plants in order to separate solute particles respect water. In light of this, the aim of this work is to evaluate the performances of a coalescer, at different operative conditions, through two distinct experimental campaigns. The coalescer is applied as a separator between fresh water and a specific draw agent during a regeneration process and an experimental expression of the coalescer efficiency with respect to the regeneration temperature, the residence time and the initial draw concentration has been determined. The draw agent used is the PAGB2000, a thermoresponsive co-polymer. In particular, it presents a lower critical solution temperature (LCST) above witch the fluid separates in two distinct phases: a polymer-rich, more concentrated, and a polymer-poor more diluted. In both campaigns, the coalescer performances strongly increase with temperature and residence time, indeed efficiency achieves also values near to 100%. On the other hand, performances slightly vary changing different initial draw concentrations. For this reason, secondarily, a coalescer efficiency expression without direct dependency on the initial draw concentration is proposed, evaluating its reliability. The results of the two experimental campaigns reveal that the regeneration temperature is the most affecting parameter concerning the coalescer performances. At the same time, adopting lower quality internal grids in the second campaign, the highest efficiency reduction detected is around 6%. In light of this, an analysis on efficiency dependency with respect to the grids density has been proposed. In second instance, in order to define the best techno-economical operative conditions of a proposed FO plant where the regeneration process is held in a coalescer, an analysis on the impact of the FO membrane area on plant performances is done, considering two distinct scenarios in terms of feed flow rate. The energy duty for draw solution regeneration process is satisfied by means of thermal energy recovered in the plant and waste heat from a CSP. The recovery ratio (RR) and thermal energy consumption present a plateau when the membrane active area rises over 300 m^2 due to draw solution dilution and so reduction of its osmotic pressure. The maximum RR obtained is 36.2%, while the thermal consumption is around 105 kWh/m^3 and the electricity one is always lower than 3.2 kWh/m^3. Definitively, the plant proposed shares to be highly competitive, overall since its LCOW can reach values also lower than 2.5 €/m^3.

L’accoppiamento tra i processi di dissalazione e le risorse di energia rinnovabile può essere una soluzione sostenibile ed efficiente per soddisfare la domanda di acqua nel mondo. In questo contesto, i separatori liquido-liquido, utilizzati principalmente nel settore petrolchimico, sono stati recentemente proposti in diversi impianti di dissalazione al fine di disgregare le particelle di soluto dall’acqua. Alla luce di ciò, lo scopo di questo lavoro è di valutare le prestazioni di un coalescer in diverse condizioni operative, portando a termine due distinte campagne sperimentali. Fondamentalmente, il coalescer è impiegato come separatore meccanico tra l’acqua pulita ed uno specifico draw agent in un processo di rigenerazione ed è stata determinata un’espressione sperimentale della sua efficienza definita rispetto alla temperatura di rigenerazione, al tempo di residenza e alla concentrazione iniziale del draw agent. Il draw agent impiegato è il PAGB2000, un co-polimero termosensibile. In particolare presenta una temperatura critica (LCST) al di sopra della quale il fluido si separa in due fasi distinte: una ricca di polimeri, molto concentrata, e una più diluita, povera in polimero. In ambedue le campagne sperimentali le prestazioni del coalescer crescono fortemente con la temperatura ed il tempo di residenza, raggiungendo anche valori vicini al 100%. D’altra parte, l’efficienza del coalescer varia leggermente al cambiare della concentrazione iniziale di draw agent. Per questo motivo, in secondo luogo, viene proposta un’espressione dell’efficienza del coalescer non direttamente dipendente dalla concentrazione di polimero iniziale, valutandone la sua affidabilità. I risultati delle due campagne sperimentali rivelano che la temperatura di rigenerazione è il parametro più influente rispetto le prestazioni del coalescer. Allo stesso tempo, nella seconda campagna sperimentale, delle maglie interne meno qualitative sono state adottate, registrando una massima riduzione di efficienza del 6%. Alla luce di ciò, è stata condotta un’ulteriore analisi ipotizzando una dipendenza dell’efficienza del coalescer rispetto la densità delle maglie interne testate. Ciononostante, ulteriori campagne sperimentali sono necessarie per completare questa espressione. In secondo luogo, al fine di definire la miglior condizione tecno-economico operativa di un impianto di dissalazione proposto e che prevede l’impiego di un coalescer per attuare il processo di rigenerazione del fluido, è stata condotta un’analisi sull’impatto dell’area attiva della membrana a osmosi diretta sulle prestazioni dell’impianto, considerando due distinti scenari in termini di portata di alimentazione. La domanda energetica da fornire per il processo di rigenerazione della soluzione acquosa è soddisfatta tramite dell’energia termica recuperata all’interno dell’impianto stesso e del calore di scarto da un impianto CSP. Il recovery ratio (RR) ed il consumo di energia termica presentano un plateau nel momento in cui l’area attiva della membrana supera i 300 m^2 a causa della forte diluizione subita dalla soluzione acquosa di draw agent che porta ad una rilevante riduzione della sua pressione osmotica. Il massimo RR ottenuto è del 36.2%, mentre i consumi termici sono di circa 105 kWh/m^3 e quelli elettrici sempre al di sotto dei 3.2 kWh/m^3. In definitiva, l’impianto proposto presenta una forte competitività rispetto gli altri di dissalazione, soprattutto perchè il suo costo specifico di produzione dell’acqua (LCOW) può raggiunge valori minori di 2.5 €/m^3.