مقایسه عملکرد روش انجمادی و هیدرات در جداسازی یون‌های کلراید و برماید از آب شور

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

به‌دلیل افزایش جمعیت و گسترش فعالیت‌های صنعتی و محدود بودن منابع آب، بسیاری از کشورها با مشکل کمبود آب شیرین مواجه هستند. در این شرایط رویکرد استفاده از آب‌های شور و شیرین‌سازی آنها اجتناب‌ناپذیر است. در سراسر جهان برای نمک‌زدایی از آب شور دریا از دو نوع فناوری اصلی غشایی و گرمایی استفاده می‌شود. در این مطالعه، شیرین‌سازی آب شور با استفاده از روش انجمادی مستقیم و روش هیدرات انجام شد. مواد مورد استفاده در آزمایش آب مقطر، نمک‌های سدیم کلراید و سدیم برماید می‌باشند. برای یافتن مدت زمان مناسب برای آزمایش انجمادی و هیدرات، رشد کریستال توسط دوربین میکروسکوپی مورد بررسی قرار گرفت. دستگاه آزمایشی شامل یک راکتور ساکن با دو استوانه هم محور بود. با ایجاد سرمایش درون استوانه داخلی، کریستال‌های یخ در جداره بیرونی آن تشکیل می‌شود، به این ترتیب غلظت‌ نمک در شورابه باقیمانده افزایش می‌یابد. میزان حذف نمک در آب شور با استفاده از دستگاه هدایت‌سنج الکتریکی اندازه‌گیری شد. نمک در غلظت پایین به‌عنوان ایجاد سایت برای هسته‌زایی عمل می‌کند، در نتیجه می‌تواند بهعنوان تسریع کننده در نظر گرفته شود. نتایج نشان می‌دهد که در روش انجمادی با افزایش غلظت نمک، میزان حذف نمک از آب شور کاهش می‌یابد. ولی در روش هیدرات روند متفاوتی مشاهده شد به‌گونه‌ای که در غلظت‌های بسیار پایین درصد حذف کمتری مشاهده شد و در غلظت‌های بالاتر درصد حذف نمک بیشتر شد تا در نهایت به مقدار ثابتی نزدیک شد. نتایج نشان داد که در مجموع راندمان جداسازی نمک در روش هیدرات بالاتر از روش انجمادی است. به‌منظور بررسی اثر اندازه آنیون در راندمان جداسازی، آزمایش انجمادی و هیدرات بر روی دو نمک NaCl وNaBr  که کاتیون مشترک و آنیون مختلف دارند در غلظت‌های مختلف انجام گرفت تا علاوه بر تأثیر غلظت نمک، افزایش اندازه آنیون بر بازدهی فرایند حذف نمک نیز مورد بررسی قرار گیرد. نتایج نشان می‌دهد که در مجموع راندمان جداسازی نمک در روش هیدرات بالاتر از روش انجمادی است و همچنین هر چه شعاع یونی بیشتر شود، احتمال حضور یون در شبکه کریستالی کمتر می‌شود و در نتیجه راندمان جداسازی نمک افزایش می‌یابد. از طرف دیگرنمک در غلظت پایین به‌عنوان ایجاد سایت برای هسته‌زایی عمل می‌کند، در نتیجه می‌تواند به‌عنوان تسریع‌کننده در نظر گرفته شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Comparison of Freezing and Hydrate Formation Methods in Removing Chloride and Bromide Ions from Brine

نویسندگان [English]

  • Marzieh Fattahi 1
  • Kiyana Peyvandy 2
  • Farshad Varaminian 3
1 MSc Student, Faculty of Chemical, Petroleum, and Natural Gas Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Assist. Prof., Faculty of Chemical, Petroleum, and Natural Gas Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
3 Prof., Faculty of Chemical, Petroleum, and Natural Gas Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

The growing population and enhanced industrial activities coupled with limitations on freshwater availability have led to efforts to desalinate salt water from the seas. Membrane and thermal technologies are the two commonly used for this purpose. In this study, the direct freezing and hydrate formation techniques were used for salt water desalination. Materials and Methods: Distilled water, sodium chloride, and sodium bromide were used as raw materials in the experiments. The experimental setup included a stationary reactor with two coaxial cylinders, in which ice crystals were deposited outside the cool inner cylinder to increase the salt concentration in the residual brine. An electrical conductivity instrument was used to measure sal removal. Results: Salt removal was shown to decrease with increasing salt concentration in the direct freeze method. A different trend was, however, observed in the hydrate formation method; salt removal was negligible at low concentrations in this method but increased at high concentrations before a constant value was reached. Overall, the hydrate formation recorded a higher salt removal efficiency than the other method. To investigate the effect of anion size on salt removal efficiency, experiments were carried out using NaCl and NaBr, which have the same cation but different anion sizes. Result showed that removal efficiency increased with increasing anion size. Conclusion: It was found that increasing ion radius leads to the lower likelihood of ion presence in the crystal lattice, thereby reducing salt removal efficiency. On the other hand, low concentrations of salt serve as site for the generation of cores, which naturally serve as removal accelerators.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ion Separation
  • Direct Freeze Method
  • Hydrate Formation
  • Static Reactor
  • Brine
Alive, A. M. & Yusifov, G., 2008, "Method of gas hydrate formation for evaluation of water desalination", Journal of Applied Chemistry, 81 (4), 588-591.

AWWA, 2004, Water desalting planning guide for water utilities, John Wiley and Sons, New York.

Corak, D., Barth,T., Høiland, S., Skodvin,T., Larsen, R. & Skjetne, T., 2011, "Effect of subcooling and amount of hydrate former on formation of cyclopentane hydrates in brine", Journal of Desalination, 278, 268-274.

Farhang, F., Nguyen, A. V. & Hampton, M. A., 2014, "Influence of sodium halides on the kinetics of CO2 hydrate formation", Journal of Energy Fuels, 28 (2), 1220-1229.

Hong, S., Lee, Y., Lee, J. & Park, K. N., 2011, "A new apparatus for seawater desalination by gas hydrate   process and removal characteristics of dissolved minerals", Journal of Desalination, 274, 91-96.

James, E., 2003, Review of water resources and desalination technologies, Material Chemistry Department, Sandia National Laboratories, New Mexico, California.

Javanmardi, J. & Moshfeghian, M., 2003, "Energy consumption and economic evaluation of water desalination by hydrate phenomenon", Journal of Applied Thermal Engineering, 23 (7), 845-857.

Kang, K.C., Linga, P., Nam Park, K., June Choi, S. & Lee, J. D., 2014, "Seawater desalination by gas hydrate process and removal characteristics of dissolved ions (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, B3+, Cl, SO42−)",
Jounal of Desalination, 353, 84-90.

Karamoddin, M. & Varaminian, F., 2013, "Water desalination using R141b gas hydrates formation", Journal of Disalination and Water Treatment, 52, 13-15.

Karamoddin, M. 2014, "Water desalination by using hydrate formation", PhD Thesis, Semnan University, Semnan, Iran. (In Persian).

Khan, A. H., 1986, Desalination processes and multistage flash distillation practice, Elsevier. 21, 442.

Knox, W. G., Hess, M., Jones, G. E. & Smith, H. B., 1961, "The hydrate process", Journal of Chemical Engineering and Programing, 57 (2), 66-71.

Mandri, Y., Rich, A., Mangin, D., Abderafi, S., Bebon, C., Semlali, N. & Klein, J.P., 2011, "Parametric study of the sweating step in the seawater desalination process by indirect freezing", Journal of Desalination, 269,142-147.

MDH, 2016, Tetrahydrofuran and drinking water, Minnesota Department of Health, USA.

Ngan, Y. T. & Englezos, P., 1996, "Concentration of mechanical pulp mill effluents and NaCl solutions through propane hydrate formation", Journal of Industrial & Engineering Chemistry Research, 35, 1894-1900.

Parker, A., 1942, "Potable water from sea water", Nature, 149, 184-186.

Rahman, M.S., Ahmed, M. & Chen, X.D., 2006, "Freezing-melting process and desalination: I. review of the state-of-the- art", Separation and Purification Reviews, 35, 59-96.

Rautenbach, R. & Seide, A., 1978, "Technical problems and economics of hydrate processes", Proceeding 6th Internnational Symposium on Fresh Water from the Sea, Athens, 4, 43-51.

Rich, A., Mandri, Y., Mangin, D., Rivoire, A. & Abderafi, S., 2012, "Seawater desalination by dynamic layer melts crystallization: Parametric study of the freezing and sweating steps", Journal of Crystal Growth, 342, 110-116.

Richard, K., Andersen, R. & McCormack, A., 1995, Clathrate desalination plant preliminary research study, INC. 6335 Ferris Square, Suite Esan Diego, California.

Sarshar, M., 2002, Sea water desalination for fishing flotations by using gas hydrates with sliter capacity in the day, Final Reports of Research Project, Agriculture Reaerch and Education Organization, Ministry of Agriculture, Tehran, Iran. (In Persian)

Sowa, B., Zhang, X.H., Hartley, G. P., Dunstan, E. D., Kozielski, A. K. & Maeda, N., 2014, "Formation of ice, tetrahydrofuran hydrate, and methane/propane mixed gas hydrates in strong monovalent salt solutions", Journal of Energy Fuels, 28, 6877-6888.

Spiegler, K.S., 1980, Principle of desalination, 2nd Ed., Academic Press, New York.

Tleimat, B. W., 1980, Freezing methods, principels of desalination, 2nd Ed, Academic Press, New York.