Assessment of Newly Fabricated Thin-Film Composite Nanofiltration Membranes for Seawater Treatment

تعتبـر تقنيـة التناضـح العكسـي مـن التقنيـات الرائـدة في تطبيقـات تحليـة ميـاه البحـر، الا ان نسـبة إنتاجيـة الميـاه العذبـة لهـذه التقنيـة محـدودة لغايـة 35% لتحليـة ميـاه الخليـج العربـي بسـبب المشـاكل الفنيـة المتعلقـة بالترسـبات الملحيـة والانسدادات علـى سـطح أغشـية التناضـح العكسـي. وعليـه تتطلـب هـذه التقنيـة عمليـة التنظيـف الكيميائـي الأغشـية بشـكل دوري لتفـادي قصـر العمـر الافتراضي الاغشـية والمحافظـة عـلى كفـاءة المنظومـة ممـا يترتـب عـلى ذلـك زيـادة التكاليـف التشـغيلية. وعليـه يجـب اختيـار وحـدة المعالجـة الاوليـة المناسـبة للحـد مـن التحديـات المذكـورة. وبالرغـم مـن مزايـا المعالجـة الأولية التقليديـة باسـتخدام المـواد الكيميائيـة والمرشـحات الرمليـة لإزالة المـواد العالقـة والبكتريـا، الا ان هـذا النظـام يعـزز مـن حـدوث التـآكل والصـدأ لمعـدات منظومـة التناضـح العكسـي. وقـد شـهدت نظـم المعالجـة المتقدمـة بمختلـف أنواعهـا تطـوراً كبيـراً مـن خـال البحـوث ً المكثفـة نتـج عنهـا عـدد مـن الأنظمة الواعـدة ومـن بينهـا تقنيـة الفلتـرة النانو مترية. وتتمتـع هـذه التقنيـة بمزايـا عـدة ومـن أهمهـا فصـل المـواد العالقـة والبكتيريـا والفيروسـات والعسـارة الأيونية مـن ميـاه البحـر وخفـض ملمـوس للتركيـز الملحـي للميـاه المعالجـة لمحطـات التحليـة ممـا يسـاهم في زيـادة إنتاجيـة منظومـة التناضـح العكسـي وخفـض كبيـر في التكاليـف التشـغيلية مـع تفـادي التحديـات المذكـورة. وتعـد أغشـية الفلتـرة النانو مترية باسـتخدام طبقـة رقيقـة مركبـة مـن الأغشية الواعـدة لمعالجـة ميـاه البحـر، الا انهـا مـا تـزال تتطلـب إلى مزيـد مـن البحـث والتطويـر للوصـول بهـا الى القـدرة التنافسـية علـى المسـتوى التجـاري. وبالتالـي توجـد هنـاك فرصـة كبيـرة لتطويـر هـذه الأغشية مـن خـال اسـتحداث جيـل جديـد مـن الأغشية الواعـدة عـن طريـق عمليـة صناعـة الأغشية. وعليـه يشـمل نطـاق العمـل بهـذه الدراسـة تصميـم وتصنيـع أغشـية الفلتـرة النانو مترية لمعالجـة ميـاه البحـر باسـتخدام معـدات وأجهـزة مخبريـة مطـورة بالإضافة الى اسـتخدام مركبـات عضويـة وغيـر عضويـة مثـل مـادة البوليمـرات ومذيبـات وجسـيمات مشـحونة وجسـيمات نانويـة لتصنيـع الأغشية. كمـا ستشـمل هـذه الدراسـة تقييـم جـدوى وفعاليـة أغشـية الفلتـرة النانو مترية المصنعـة ومقارنتهـا بكفـاءة الأغشية المتوفـرة تجاريـا. ويهـدف هـذا المقتـرح إلى تقييـم جـدوى وفعاليـة أغشـية الفلتـرة النانو مترية المصنعـة في معالجـة ميـاه التغذيـة لمحطـات تحليـة ميـاه البحـر ومقارنـة جدواهـا وكفاءتهـا مـع الأغشية المتوفـرة تجاريـا وفقـا للظـروف السـائدة في دولـة الكويـت. كمـا يهـدف إلى تحليـل نتائــج الاختبارات المختبريــة تمهيــداً لتطبيقهــا عـلـى نطــاق تجــاري مستقبلا في دولــة الكويــت. ومــن أهــم مخرجــات هــذه الدراســة اســتحداث قاعــدة مرجعيـة للمعلومـات الفنيـة المكتسـبة حـول أداء وكفـاءة الأغشية المصنعـة ومقارنـة نتائجهـا بالأغشية المتوفـرة تجاريـا.

To date, reverse osmosis (RO) technology is the leading process for seawater desalination applications. However, water recovery is limited to an average of 35% because of severe fouling and scaling challenges on membrane surface. Therefore, RO requires frequent membrane cleaning and membrane replacement in a shorter period, and consequently, it will reduce the process efficiency and increases its operational costs. Therefore, a proper selection of pre-treatment process is essential to avoid the aforementioned challenges. Although conventional pre-treatment system has a considerable advantage for such an application, this system enhances limitations of corrosion and rusting in the equipment of RO system. Different systems and methods of the pre-treatment system have been developed over decades through intensive research studies and resulted in a number of promising systems, including Nanofiltration (NF) membrane technology. NF technology has several advantages, and the most importantly are the separation of the suspended particles, bacteria, viruses and divalent ions from seawater, which leading to reduce the salt concentration of the treated seawater for the desalination plants. Divalent ionic rejection will also lead to increase the water recovery ratio of the desalination plants as well as a significant reduction in operating costs. The polyamide (PA) based Thin-Film Composite (TFC) NF membranes are one of the promising and commercially available membranes for such an application. However, currently TFC-NF membranes are not well established, for example, the PA membranes are hydrophobic and prone to fouling. The less chlorine tolerance of polyamide linkages leads to degradation of membrane resulting in the loss of selectivity. Further research and development are necessary to overcome the previously mentioned issues through the development of a new generation promising membranes. This proposed study includes a new approach for the synthesis of TFC-NF membranes based molecular self-assembly concept invented at KISR. The newly developed membranes demonstrated the potential application of the TFC-NF membrane towards the seawater pretreatment application. The scope of this study will be extended to fabricate the thin film nanocomposite (TFN) membranes by incorporating different nanoparticles. The study will include laboratory investigations to assess and verify the feasibility of the newly developed membranes and compare their efficiency with the commercially available PA based TFC-NF membranes. The aim of this study is to assess the feasibility and effectiveness of the proposed membranes for treating seawater under the prevailing conditions of Kuwait. The most important deliverables of this study will include a referenced scientific and technical knowledge base on the performance and efficiency of the fabricated NF membranes compared to that in the commercially available NF membranes.