Global Water Overview Membrane Separation Processes Water ... · - Capilar (0,5 < Ø < 5mm) -...

Nicolas Roger Jean-Daniel Mermier, Eng. Químico, M.Sc

[email protected]

Rio de Janeiro, 29.11.2016

SEAERJ

- Global Water Overview

- Membrane Separation Processes

- Water & Energy Challenges

Reverse Osmosis (RO) VS New Technologies

Membrane Distillation Processes

Pressure Retarded Osmosis (PRO) for Energy Generation

Hybrid Processes

The “Top Ten” Global Challenges

for the New Millenium

1. Energy

2. Water

3. Food

4. Environment

5. Poverty

6. Terrorismom & War

7. Disease

8. Education

9. Democraty

10. Population


SEAERJ

1. Energy

2. Water

3. Food

4. Environment

5. Poverty

6. Terrorismom & War

7. Disease

8. Education

9. Democraty

10. Population

The “Top Ten” Global Challenges

for the New Millenium


SEAERJ


SEAERJ

- Mais importante que petróleo...

- Toda forma de vida depende de água...

- Agricultura: 66%

- Residencial / Comercial: 20%

- Industria: 10%

- Evaporação de reservatórios: 4%

Água é Vida !!!

Est

imat

edW

ater

Use

(Km

3 /yr

)

http://www.worldometers.info/water/


SEAERJÁgua é Energia !!!

- Energia é recurso vital para prosperidade

- Água é um recurso natural

- Água pode armazenar energia potencial e química. Conversão deenergia mecânica em hidráulica tem sido comumente utilizada.

- O moinho d’água era conhecido desde o século II a.C. Os romanosutilizaram e aprimoraram amplamente essa tecnologia.


SEAERJ Virtual Water Consumption

2.400 L. 3.900 L. (1kg) 70 L.

140 L.120 L.900 L. (1kg)

2.700 L.

16.600 L. (1kg)


SEAERJ Water Distribution on Earth


SEAERJAreas of Physical &

Economic Water Scarcity

Scarcity: Need for Fresh Water VS Available Quantity


SEAERJProjected Water Scarcity in 2025


SEAERJ Situação no Brasil


SEAERJ

• Dessalinização de Água Salobra e Água do Mar: Novas Fontes

Osmose Inversa (OI) Reverse Osmosis (RO)

Osmose Direta (OD) Forward Osmosis (FO)

Distilação por Membranas Membrane Distillation (MD)

Eletrodiálise (ED/EDR)

• Reúso Industrial & Urbano: Melhor Aproveitamento

• Reduzir o Consumo de Energia: Impacto Ambiental

“Pressure Retarded Osmosis” (PRO)

Processos Híbridos

Tecnologias

Água & EnergiaPSM: Processos de

Separação por

Membranas

Uma membrana é

Barreira/fase natural ou artificial/sintética que separa

duas fases, restringindo total ou parcialmente o

transporte de uma ou várias espécies químicas

presentes nas fases


SEAERJ

Princípios dos Processos

Modelos de Transporte


SEAERJ

Membrana

Permeado

Alimentação

Concentrado

[Ca, XA, B]

[Cp, YA, B]

1001

a

p

C

CR

Rejeição (MF, UF, NF, OI)

Isotrópicas

Anisotrópicas

Morfologia de Membranas

Sintéticas

B

A

B

A

BA

X

X

Y

Y

/

Fator de Separação (PV & PG)Fator de

Enriquecimento

𝛽𝐴 =𝑌𝐴𝑋𝐴


SEAERJ

Membranas

Densas

Membranas Porosas

Transporte

Difusivo

Transporte

Convectivo

Tipo de Transporte / Faixa de Porosidade


SEAERJ

Micro-Organismos

Macromoléculas

& Vírus

Moléculas de

Médio PM

Moléculas de baixo

PM & Ions (Sais)

Átomos

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

Características dos Processos que utilizam

a Diferença de Pressão com Força Motriz

Processo

1µm

Dimensões das Partículas

& Moléculas (m)

1 Å

MicrofiltraçãoCélulas / Colóides

Materias em Suspensão

Membrana

Ultrafiltração

Macromoléculas &Virus

Nanofiltração

Osmose Inversa

Água

Sais

Moléculas de Médio PM

ΔP

ΔP

ΔP

ΔP


SEAERJ

Processos de Separação por

Membranas (PSM) / Aplicações


SEAERJ

400

300

200

100

0

Flu

xo P

erm

eq

ad

o, J

v (

l/h.m

2 )

Pressão, P (bar)0 1 2 3 4

LP (UF)

MF

UF

NF

OILP (NF)

Solvente Puro

(água)

Fluxo, Permeabilidade & Rejeição (MF, UF. NF, OI)


SEAERJ

Membrana Anisotrópica Plana (PEI)

SuperficieExpo 0(sec)

SuperficieExpo 30(sec)


SEAERJ

Membranas Anisotrópicas do tipo Fibras Ocas (AC)

A

B


SEAERJ

A

Suporte Polimérico Poroso

C

Sol. Orgânica de Cloreto Ácido

Matriz Polimérica

(PSf / PES)

PA inteiramente aromáticaMembranas atuais principais para os processos de OI / FO / PRO

Sol. Aquosa de Diamina

B

D

Camada Ativa de PA(0.2 – 0.3 μm)

Polimerização Interfacial “In Situ”

Síntese de Membranas Anisotrópicas Compostas


SEAERJ

Polimerização Interfacial “In Situ”

Produção Industrial


SEAERJ

Geometria

Cilíndrica

- Tubular (5 < Ø < 15mm)

- Capilar (0,5 < Ø < 5mm)

- Fibras Ocas (Ø < 0,5mm)

Planas

- Espiral

- Placa Quadro

Tipo de Membranas &

Módulos


SEAERJ

Densidade de

Empacotamento

10:1

Módulos do tipo Fibras Ocas

Pa

Pa > Pp

Pp

Pa

Pa > Pp

Pp

Alimentação pelo Casco

Alimentação pelo Lumen das Fibras


SEAERJ

Módulos do tipo EspiralRio de Janeiro, 29.11.2016

SEAERJ

Vantagens: Eficiência (seletividade & produtividade)

Volume pequeno das instalações (Moduláveis)

Integração de processos

Energéticamente favorável

Operações em condições brandas (P &T)

Impacto ambiental

Custo reduzido (viabilidade)

Limitações: Seletividade e fluxos reduzidos

Incrustações (Fouling)

Resistência química & mecânica

Membranas Sintéticas nos

Processos Industriais

Porque?


SEAERJ


SEAERJ









Processos Híbridos

Tecnologias

Água & Energia

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ ∆𝜋 − ∆𝑃

∆𝜋 < ∆𝑃

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ ∆𝜋

Processos Osmóticos

Osmose Inversa

0

RO(ΔP > Δπ)

PRO(Δπ > ΔP )

Real

Ideal

Flux (JW)

Energy (W)

ΔP

FO(ΔP = 0)

ΔP = Δπ/2

W Jw

Wmax

Δπ

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ (∆𝜋 + ∆𝑃)

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ ∆𝜋 − ∆𝑃

∆𝜋 > ∆𝑃


SEAERJ

TRC jj

)( PAJi

)( ,0, pjjj ccBJ


SEAERJ

- Norte Americano: 6.000 m3/ano. Habitante

- Países Africanos pobres: 700 m3/ano. habitante

Dessalinização

- Países com escassez física e com recursos financeiros (Arábia Saudita)

Consumo de Água & Recursos

Ano

Cap

acid

ade

Acu

mu

lad

a (m

ilhõ

es m

3 /d

ia)

2009

The Big Dipper: Contracted Desalination Capacity

Forecast-Chart, Global Water Intelligence, 10 (2009)

Reverse Osmosis Desalination: Water sources,

technology and today’s challenges, Water Research

43 (2009) 2317-2348


SEAERJ

Fonte: GWI, 2012

Capacidade Global de

Dessalinização


SEAERJ Hadera Desalination Plant (Israel)

Capacity: 525,000 m3/day

>100.000.000 m3/year

Technology: Reverse Osmosis (RO)

Location: Hadera, Israel

Footprint: 1000m x 50-150m

Commission Date: 2009


SEAERJ

18,426 (200)The total number of desalination plants worldwide (South America)

More than 86.8 million cubic meters per day

The global capacity of commissioned desalination plants

150

The number of countries where desalination is practiced

More than 300 million

The number of people around the world who rely on desalinated water for

some or all their daily needs

Desalination by the Numbers

(June, 2015)

SWRO-Plant Interactions with the

EnvironmentSeawater Reverse Osmosis (SWRO)

State of the Art Technology


SEAERJ

Reverse Osmosis ProcessWorking Conditions Performances

High Energy Costs

Performance Hindering


SEAERJ

=

RO Process Transport ResistancesConcentration Polarization, Scaling & Fouling


SEAERJ

Seawater Reverse Osmosis (SWRO)

Energy Consumption


SEAERJ


SEAERJ SWRO Membrane

Module Design


SEAERJ Minimum Theoretical Energy

of Desalination

• Reversible Thermodynamic Process

• Independant of the Technology or Mechanism of Desalination


SEAERJ

Separação Avançada

(Sem Mudança de Fase)

7,3 kWh/m32,2 kWh/m3

Tipo de Processo /

Demanda de Energia

VS

Separação Convencional


SEAERJ

Practical Minimum Energy

1 Stage: 1.56 kWh/m3

2 Stages: 1.28 kWh/m3

∞ Stages: 1.06 kWh/m3

(Th. Minimum Energy)

Multi-Stages Reverse Osmosis

Reduces Energy but

Increases Capital Costs!!!

Pressure Exchangers PEX

1200 Rotação/minÁgua salobra

Água do mar


SEAERJ


SEAERJ Energy Recovery /

Pressure Exchangers


SEAERJ

- Potential Space Savings (10-15%)

- Capital Cost Savings (5-10%)

- Total Cost of Water Savings (4-6%)

- Loading requires Special Equipment

and Extra Space

- Uneven Flow Distribution (Fouling)

- Special Vessels Needed

SWRO Membrane

Module Elements

Standard 8” Element

16” SWRO Element


SEAERJ

Tabela 8.5: Contribuição dos diversos componentes no custo de investimento total emumaplantadedessalinização(DesalData).

Capacidade(L/s)

Item

500 1000 1500 2000 2500 3000 4000 5000

Captação 11% 11% 11% 11% 12% 12% 12% 12%

Bombas 8% 8% 8% 8% 9% 9% 9% 9%

Projetoepessoal 11% 11% 9% 9% 9% 9% 9% 9%

Tubulações 12% 12% 13% 13% 11% 11% 11% 11%

Vasosdepressão 1% 1% 1% 1% 1% 1% 1% 1%

Instalaçãoeserviços 7% 7% 7% 7% 7% 7% 7% 7%

Membranas 5% 5% 5% 5% 4% 4% 4% 4%

Construçãocivil 14% 14% 15% 15% 16% 16% 16% 16%

Equipamentosemateriais 20% 20% 20% 20% 19% 19% 19% 19%

Jurídicoepessoal 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2%

Pré-tratamento(MF/UF) 9% 9% 9% 9% 9% 9% 9% 9%

Contribuição dos diversos componentes no custo de investimento total

em uma planta de dessalinização (CAPEX)

Dessalinização (OI) /

Custo da Tecnologia

DesalData


SEAERJDessalinização (OI) /

Custo da Tecnologia


SEAERJ

RelaçãoCompletadeCustos

Capacidade(L/s)

Item(R$)

500 1000 1500 2000 3000 4000 5000

Capital-Total(CAPEX) 129.359.967,66 258.719.935,32 388.079.902,98 517.439.870,64 970.685.100,00 1.294.246.800,00 1.617.808.500,00

Terreno2.787.284,77 2.946.225,17 3.105.165,56 3.264.105,96 3.581.986,75 3.899.867,55 4.217.748,34

O&M-Total(OPEX)60.412.597,54 117.865.809,98 174.019.870,18 231.663.585,02 347.627.643,56 460.700.946,44 573.435.619,68

Energia51.621.628,80 103.243.257,60 154.852.972,80 206.474.601,60 309.717.859,20 412.961.116,80 516.204.374,40

Pessoal2.539.164,67 3.598.636,80 4.014.489,60 5.169.212,93 6.419.187,46 7.155.641,86 7.722.781,44

Reposiçãodemembranas1.856.319,70 3.712.639,39 5.568.959,09 7.425.278,78 12.535.704,72 16.714.272,96 20.892.841,20

Demaiscustosoperacionais4.395.484,37 7.311.276,19 9.583.448,69 12.594.491,71 18.954.892,18 23.869.914,82 28.615.622,64

Relação Completa de Custos

Dessalinização (OI) /

Custo da Tecnologia


SEAERJ









Processos Híbridos

Tecnologias

Água & Energia

Forward Osmosis

Forward Osmosis (FO)

State of the Art Technology

NH3(g) CO2(g)

NH4HCO3(aq)

(NH4)2CO3(aq)

NH4COONH2(aq)

HEAT

NH3(g) CO2(g)


SEAERJ


SEAERJ









Processos Híbridos

Tecnologias

Água & Energia

Membrane DistillationState of the Art

Waste Heat

Solar Source


SEAERJ

Advantage 1:

Vapor Pressure Driving Force


SEAERJ

Current Interest in MDTreatment of High Fouling & Scaling Feed Waters

- Produced Waters in Oil & Gas Industry

- Mineral Harvesting/Recovery

- Concentration of RO Brines

𝑇𝐹: 50°C

𝑇𝑃: 30°C

𝑇𝐹: 70°C

𝑇𝑃: 30°C


SEAERJ

Current Interest in MD

Broad Spectrum Contaminant Removal /

Water “Polishing”

Removal of Low Molecular Weight Organics, Pharmaceutical Residues, Urea, Boron, Arsenic

(Water Treatment/Desalination Process Final Step)

Ions Rejection Metals Rejection


SEAERJ

Advantage 2:

Compatible w/ Thermal Energy


SEAERJ

MD Process Transport ResistanceTemperature Polarization Concentration

𝑻𝒇𝒎 𝑻𝒑𝒎𝑻𝒇 𝑻𝒑1000 2000 3000 4000 5000

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

TPC

Re

(TPC)theo

(TPC)exp

0.7 0.8 0.90

3

6

9

12

Flux(kg/m

2.h)

(TPC)av

Thermally Efficient

Process

𝑇𝑃𝐶 → 1


SEAERJ

Membrane Distillation /

Heat Transfer Exchanger

(MD-HX) System

Overall Energy Efficiency w/ Heat Recovery


SEAERJ

Unidade de Destilação p/ Membranas

PAM_COPPE


SEAERJ

Unidade de Destilação p/Membranas

PAM_COPPE

Fluxograma / Supervisor


SEAERJ


SEAERJ









Tecnologias

Água & Energia

Other Salinity Gradient Energy

Generation Process - RED

What is Electrodialysis ?

Anion- selective membrane


SEAERJ


SEAERJ Eletrodiálise (ED/EDR)

Geração de Energia

associada a Processos

com Membranas

Energia Azul – PRO

(Pressure Retarded Osmosis)


SEAERJ

Global Electrical Energy SourcesRio de Janeiro, 29.11.2016

SEAERJ

Fundamentos

Ciclo Natural

Transporte

Precipitação

RiosMares

Descarga de

água doce

Evaporação

cc


SEAERJ

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ ∆𝜋 − ∆𝑃

∆𝜋 < ∆𝑃

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ ∆𝜋

Processos Osmóticos

Geração de Energia

0

RO(ΔP > Δπ)

PRO(Δπ > ΔP )

Real

Ideal

Flux (JW)

Energy (W)

ΔP

FO(ΔP = 0)

ΔP = Δπ/2

W Jw

Wmax

Δπ

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ (∆𝜋 + ∆𝑃)

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ ∆𝜋 − ∆𝑃

∆𝜋 > ∆𝑃

𝑃𝐷 = ∆𝑃∆𝑄 𝐴𝑚 = ∆𝑃𝐽𝑤

S𝐸 =∆𝑃∆𝑄

𝑄𝐹,0 + 𝑄𝐷,0

(W/m3)

(W/m2)


SEAERJ

0

RO

(ΔP > Δπ)

PRO

(Δπ > ΔP )

Real

Ideal

Flux (JW)

Energy (W)

ΔP

FO

(ΔP = 0)

ΔP = Δπ/2

W Jw

Wmax

Δπ

𝑃𝐷 = 𝐽𝑤∆𝑃

𝐽𝑤 = 𝐴 ∙ ∆𝜋 − ∆𝑃

Target for Economic Viability

5W/m2


SEAERJ FO/PRO Theoretical Approach

Estuários

7.408 km < Litoral Brasileiro > 9.198 km


SEAERJ

Geração de Energia por Gradiente de

Salinidade

Ampliação da matriz energética

- Exploração de recursos sustentáveis

- Evitar crises de abastecimento/racionamento

Diminuir impacto ambiental

- Diminuir a dependência mundial do consumo de combustível fóssil

- Reduzir a emissão de gases nocivos ao meio ambiente

- Maior sustentabilidade


SEAERJ


SEAERJ Pressure Retarded Osmosis (PRO)

Fundamentals

Transformation of chemical potencial to hydraulic potential

PRO – Processo Industrial

Módulo de membranasÁGUA

DO MAR

ÁGUA DE RIO

ÁGUA DOCE(FEED SOLUTION)

ÁGUA

SALOBRA

TURBINA

ÁGUA SALOBRA

(DRAW SOLUTION) TROCADOR

DE PRESSÃO ENERGIA

Na Europa existe um potencial de

200 TWh/ano

No mundo esse potencial pode chegar aos

1650 TWh/ano


SEAERJ


SEAERJ

PRO – How to Reduce Energy Consumption ?


SEAERJ

Pressure Exchangers PEX

1200 Rotação/minÁgua salobra

Água do mar


SEAERJ

StatKraft - NoruegaRio de Janeiro, 29.11.2016

SEAERJ

StatKraft - Sistema de Permeação

Alimentação da

solução salina

Alimentação

(Água doce)

Solução salina diluída

Solução

concentrada

Módulos com Membranas Planas

do Tipo Espiral modificados

25’000’000 Watts / 5’000’000 m2 de membranas

5 Watts / m2 Ideal

~1 Watts / m2 Real


SEAERJ

Constant pressure,

counter-current PRO

system with energy

recovery from a

pressure exchanger

Full Scale System LimitationsRio de Janeiro, 29.11.2016

SEAERJ

+

∆𝐺𝑠𝑒𝑝

−∆𝐺𝑚𝑖𝑥

Energy of Mixing

Maximum Gibbs Free Energy of Mixing

Typical Optimal Feed Fraction ~0.6 (CF/CD)


SEAERJ

PRO Specific

Extractable Energy

Geração de Energia por Gradiente de Salinidade

Seawater Solution (~0.6M, NaCl)

0.26 kWhm-3

RO Desalination Brine (~1.2M, NaCl)

0.55 kWhm-3

Hypersaline Water from Dead Sea

2.52 kWhm-3


SEAERJ

Thickness, t

Porosity, ɛ

Solute diffusion coefficient

of the draw solution, D (m2/s)

Support Layer Structure Control &

Internal Concentration Polarization

𝐾 =𝑡𝜏

𝐷𝜀

Tortuosity, τ

S, Structural Parameter

of the Porous Support


SEAERJ

Large S results in severe ICP

Support Layer Structure Control &

Internal Concentration Polarization (ICP)


SEAERJ

Future FO/PRO

Membranes Perspectives


SEAERJ

Future FO/PRO

Membranes Perspectives

Incorporate Aquaporin Proteins in Membrane Matrix


SEAERJ

Limitations of Open-Loop PRO

with Natural Water

- Environmental impacts of locating PRO plants at estuaries & bays

- Need extensive pretreatment and fouling control measures;

Fouling may be inevitable

- Limited effective driving force for river water-seawater system

- Low power density and hence large capital cost (large membrane

area needed)


SEAERJ

Unidade FO/PRO

Demonstrativa


SEAERJ

Acionamento da Turbina Pelton

Painel constituído de 9 LEDs de Potência

Válvula Solenoide

Configuração do Supervisor

Turbina Pelton


SEAERJ

Processo - Fluxograma

V32

V15

V12

V22

V31

V33

Linha de Alta

Salinidade

Linha de Baixa

Salinidade

Z2

Z1N10

V – Válvulas

P – Sensores de Pressão

F – Sensores de Vazão

C – Sensores de Cond./Temp.

PD – Sensores de Pressão Dif.

N – Sensores de Nível/Fluxo

Z – Trocador de Calor

V14

V17

V16

Linha da Turbina

N21

PD20

T2

N20 B-2B-2B2

F21 C21

F20P20C20

M1

PD10C10

P10

B1

F10

T1

M3

M2

F11

C11

P11

P21

E1G1

S1

V11

V21V20

V10 V13

Linha

Compartilhada


SEAERJ

Módulos do tipo Fibras Ocas

Configuração

Feed** Sol.

Draw** Sol.

Draw* Sol.

Feed* Sol.

Feed**/Draw* Sol.

Draw**/Feed* Sol.

Draw**/Feed* Sol.

Feed**/Draw* Sol.

Área de Permeação: [1m2 – 1,5m2]


SEAERJ

Test II Int. PRO (NaCl, π: 37bar)

Pressure Profiles in System


SEAERJ

Each pair of SW / RW cells: ~ 0,1 – 0,2V

One cell pair

e-

e-

e-

Reverse

Electrodialysis

RED

H2

2H+2H2O

O2+4H+


SEAERJ


SEAERJ









Processos Híbridos

Tecnologias

Água & Energia

Hybrid Process Adaptation

(www.globalmvp.org)


SEAERJ

Hybrid Process AdaptationPotable Reuse Systems

Electrical Energy Intensive Process

Waste Heat Recovery Process


SEAERJ

Hybrid Process AdaptationOsmotic Membrane Bio Reactor


SEAERJ

Hybrid Process AdaptationCostal Water System


SEAERJ

Merci beaucoup

Questions…?


SEAERJ

Nicolas Roger Jean-Daniel Mermier, Eng. Químico, M.Sc

[email protected]

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