New Generation Brine Desalination and Management for Efficiency, Reliability and Sustainability

يهدف هذا المشروع إلى دراسة الاستدامة الحيوية والبيئية لإدارة المياه في الكويت من خلال بحث وتطوير الأفكار الجديدة في هذا المجال واستغلالها الأمثل لرفع كفاءة العمليات المتبعة. وتطرق المشروع البحثي إلى ثلاثة مواضيع رئيسية هي: 1)استخدام التقنيات الكهربائية في تحلية وإدارة المياه المالحة: حيث سيتم الاستفادة من المزايا الفريدة لتحلية المياه بالطرق الكهربائية وتطبيقها في المعالجة السابقة واللاحقة للمياه لتعزيز كفاءة محطات التحلية القائمة. وهذا سيكون بمثابة التطبيق الأساسي لهذا المشروع. وسيتم اختبار وإثبات كفاءة كل من النظم المقترحة في مختبرات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة الكويت، وسيشمل ذلك التحاليل الفنية والاقتصادية التفصيلية لتحقيق التكامل الأمثل. وسيتم استخدام استراتيجية المراحل المتعددة والتي من المتوقع أن تسهم في رفع كفاءة استخدام الطاقة عن طريق تقليل ظاهرة اللاعكسية في عملية الفصل الشاملة باستغلال الفوارق الموضعية في التراكيز.2)توليد الطاقة باستخدام محلول ملحي مركز والمياه المبتذلة: تعتبر تقنية التناضح بالضغوط المعيقة (PRO) وتقنية الفصل الكهربائي العكسي (RED) من التقنيات الواعدة، وهي تعتمد على الأغشية لاستعادة الطاقة باستغلال الاختلاف في التركيز بين التيارات المائية. وسيبحث في إمكانية استخدام تقنيات PRO و/ أو RED لاستعادة الطاقة من محطات تحلية مياه البحر ومحطات معالجة المياه المبتذلة في الكويت، مع الحد في الوقت نفسه من درجة الملوحة للمياه عن طريق في الملوحة باستخدام الأغشية. ومن المتوقع أن ينتج عن هذه الدراسة تقييم واضح للفوائد المرجوة من دمج التيارات المصروفة للمياه العالية الملوحة والمياه المبتذلة باستخدام التقنيات الجديدة، وسيتم التركيز على لأثر البيئي لهذه التيارات، بالإضافة إلى خفض التكلفة الإجمالية لمعالجة المياه من خلال استعادة الطاقة المتجددة مع انخفاض انبعاثات الكربون عبر PRO أو RED.3) التقنية الهندسية لزيادة الموثوقية: وسوف سيتناول هذا البحث أيضا تحديا كبيرا متمثلاً بالمخلفات الحيوية وتكون الترسبات على السطوح والأغشية وإزالة الجسيمات من المياه، من خلال توظيف الابتكارات الحديثة ونذكر منها طلاء السطوح وعمليات الفصل (المجهرية) ميكروفلويديك. يمكن تلخيص تطورات المشروع خلال السنة الثانية على النحو التالي:1.تم إعادة تنظيم فريق البحث في المشروع بشكل أمثل بحيث يعكس مساهمة وخبرات الباحثين المشاركين على نحو أفضل.2. بدء التواصل بهدف التعاون الواسع مع عدد من الجهات الحكومية في الكويت لنشر نتائج المشروع على نحو أفضل. وقد وضعت أول مبادرات التعاون مع وزارة الكهرباء والماء رسميا في أبريل 2016، غير أن تنفيذ هذا التعاون كان بطيئا نوعا ما، ولا يزال يشكل أحد التحديات. 3.تم إطلاق العديد من أوجه التعاون المحورية بين الباحثين في جامعة الكويت وباحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بما في ذلك التعاون لدراسة وضع المقاييس والإشراف المشترك على طلاب الماجستير الجدد في جامعة الكويت بهدف بناء القدرات البحثية.

The aim of this project is to increase both energetic and environmental sustainability of Kuwaiti water management by developing/validating novel ideas and interfacing them optimally with existing plant workflow. Three major themes of the project are: 1.Electrical desalination for brine management: Capitalizing on unique advantages of electrical desalination for pre- and post-treatment of source water to enhance the efficiency of the existing desalination plant. This will serve as our primary application. Proof-of-concept systems will be tested at both Massachusetts Institute of Technology (MIT) and Kuwait, coupled with a detailed techno-economic analysis toward optimized integration. We will use the strategy of multi-stage optimization, which achieves energy efficiency by minimizing irreversibility in the overall process through local management of concentration differentials. 2.Power generation using brine and wastewater: Pressure Retarded Osmosis (PRO) and Reverse Electrodialysis (RED) are emerging, membrane-based technologies for recovering energy from concentration differences between water streams. We will examine the potential of using PRO and/or RED to recover energy from Kuwait's desalination and wastewater plants while simultaneously reducing the salinity of the discharged brine by membrane-regulated dilution with wastewater and/or seawater. Coastal discharge configurations will be designed, and methods to fully mitigate the environmental impact of the discharged streams will be evaluated. This study will result in clear assessment of the potential of combining brine and wastewater discharge to lessen environmental impacts on the Kuwaiti coast while reducing the overall cost of water treatment through the recovery of renewable energy with reduced carbon emission via PRO or RED. 3.Engineering for Increased Reliability: We will also address the significant challenge of bio-fouling, scale formation, and particulate removal, by employing recent innovations in surface coating and microfluidic separation processes. Antifouling membrane coatings appropriate to the combined streams will be developed.The project activity covered diverse scientific and technical topics related of brine management, techno-economical evaluation of various desalination technology for brine management problems in Kuwait, study of environmental impact of brine to marine life, and the technological solutions to address reliability issues in the existing and the new desalination plants.The tangible outcomes of this project are summarized as the following:•Published 30 peer-reviewed journal papers, 9 patents (3 joint patents between MIT and KU) on various new ideas of desalination. 7 MSc. students are involved in KU, in our project activities.•2 new projects from the collaboration were funded.•The project got a unique opportunity to conduct an international conference on desalination, and to introduce proposal to establish a desalination Center of excellence.•At KU, we have established a state-of-the-art ED laboratory facility, pilot plant Confined Plunging Jet Reactor rig and a bench scale advanced coating analysis facility.