OSMOTIC- BUOYANCY MEMBRANE DISTILLATION FOR BRINE MANAGEMENT

Abstract

Küresel ölçekte sürdürülebilir su yönetimi ve döngüsel ekonomi yaklaşımlarına artan ilgi, özellikle yüksek tuzluluk içeren deniz suyu tuzlu sularının arıtımında kullanılmak üzere, sıfır sıvı deşarj (-ZLD) teknolojilerine olan ihtiyacı önemli ölçüde artırmıştır. Membran distilasyonu (MD), yüksek saflıkta su geri kazanımı sağlayan termal temelli umut verici bir proses olmasına rağmen, düşük enerji verimliliği, membran ıslanması ve yüksek enerji tüketimi gibi sınırlamalar nedeniyle yaygın uygulama alanı bulamamaktadır. Bu çalışma, ozmotik taşınımla desteklenen yenilikçi bir MD sistemi sunmakta olup, ozmotik (Soret etkisi) ve termal (Dufour etkisi) taşınımın etkileşimi yoluyla hem kütle hem de ısı transferini iyileştirmektedir. Ozmotik kaldırma düzeyinden bağımsız olarak, sabit Re = 1200 akışlarda permeat sıcaklığı 19,2 °C'de bir ıslanma eşiği gözlenmiştir. Ayrıca permeat tuzluluğuna bağlı bir faz kayması (besleme 35,0–42,3 °C) mevcuttur; bu bölgede akı besleme tuzluluğundan bağımsızlaşır ve ozmotik (Soret) ile termal kaldırma (Dufour) arasında baskınlık değişimi görülür: söz konusu aralığın altında ozmotik, üstünde ise ağırlıklı olarak termal etkiler baskındır. Ozmotik gradyanlar ve tuz kaynaklı arayüz ıslanmasının oluşturduğu karma konveksiyon, erken kristalleşme olmadan buhar akısını artırmaktadır. Ancak geçiş rejiminde, permeat sıcaklığındaki artış, termal polarizasyonu ve lokal ıslanmayı artırarak olası kirlenme ve çökelme riskini beraberinde getirmektedir. Bu yöntemin performansının kullanılan membran malzemesine bağlı olduğu saptanmıştır. Düşük hidrofobik membranlar ozmotik etkilerin baskın olduğu koşullarda daha uygun performans gösterirken, yüksek termal iletkenliğe sahip destek yapılar termal etkilerin baskın olduğu koşullar için daha uygundur. Yapılan analizler sonucunda, 2,5 kat daha düşük sıcaklık gradyanında, buhar akısının %10 ± 2 oranında arttığı, buna karşın termal enerji gereksiniminin %127 oranında azaldığı belirlenmiştir. Bu durum, kullanılan ısı kaynağına bağlı olarak işletme maliyetlerinde m³ başına 0.04–0.22 USD tasarruf sağlamaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre ozmotik uvvetiyle geliştirilmiş MD (OB-MD), enerji ve maliyet açısından geleneksel termal MD'den daha iyi performans göstermektedir. Yaz koşullarında OB-MD, seviyelendirilmiş maliyeti %47.9–%75.1, özgül enerji tüketimini %85.8–%94.8 ve geri ödeme süresini %94.2–%98.8 azaltmıştır. Kış aylarında, daha düşük besleme sıcaklıkları nedeniyle tüm konfigürasyonlarda maliyetleri artırsa da, OB-MD, enerji kısıtlı koşullar altında yüksek tuzluluktaki tuzlu su konsantrasyonu için uygulanabilirliğini doğrulayarak açık bir avantaj sağlamaktadır. Bu çalışma, ZLD uygulamalarında OB-MD'nin verimlilik, kararlılık ve maliyet etkinliğini artırdığını göstermektedir; gerçek ölçekli simülasyonlar ekonomik bulguları doğrulayarak sürdürülebilir desalinasyon ve ileri brine yönetimi için pratik yönlendirme sunmaktadır.The growing global focus on sustainable water management and circular economy has heightened the demand for efficient Zero Liquid Discharge (ZLD) technologies, particularly for treating high-salinity seawater brines. Membrane distillation (MD) is a promising thermally driven process for high-purity water recovery, but its adoption is limited by low efficiency, membrane wetting, and high energy consumption. This research presents a novel enhancement to MD using osmotic buoyancy, which improves both heat and mass transfer via the interaction of osmotic (Soret) and thermal (Dufour) convection. Whatever osmotic buoyancy, a wetting threshold at 19.2◦C permeate occurs at constant 1200 Re flows. A permeate salinity dependent phase shift (35.0 􀀀 42.3 ◦C feed), where flux decoupled from feed salinity, among osmotic (Soret) and thermal buoyancy (Dufour): osmotically below, but thermally mainly above. Mixed convection, induced by osmotic gradients and salt-driven interfacial wetting, enhances vapor flux without early crystallization. However, in the transitional regime, rising permeate temperature increases thermal polarization and local wetting, potentially triggering fouling. The performance of this approach is membrane-dependent, with low hydrophobicity membranes favoring osmotic regimes and high thermal conductivity supports suiting thermal-driven ones. At a 2.5-fold lower ΔT, vapor flux improved by 10 ± 2%, and thermal energy use decreased by 127%, leading to energy cost reductions of $0.04–0.22/m³, depending on the heat source. Based on simulation works, osmotic-buoyancy-enhanced MD (OB-MD) consistently outperforms thermal-only MD in energy and cost. In summer, OB-MD reduces levelized cost by 47.9–75.1%, specific energy consumption by 85.8–94.8%, and payback time by 94.2–98.8%. Although winter raises costs across all configurations due to lower feed temperatures, OB-MD maintains a clear advantage, confirming its feasibility for high-salinity brine concentration under energy-constrained conditions. This study shows that OB-MD improves efficiency, stability, and cost-effectiveness for ZLD. Real-scale simulations substantiate economics and offer practical guidance for sustainable desalination and advanced brine management.