DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119052
تاريخ النشر: 2025-05-22
المؤلف: Lorenzo Ventimiglia وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأغشية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في إنتاج هيدروكسيد المغنيسيوم (Mg(OH)₂) من محلول مالح ناتج عن تحلية المياه بالتناضح العكسي (RO) على نطاق شبه صناعي، باستخدام نموذج أولي لمفاعل تدفق متعدد التغذية (MF-PFR). أجريت الدراسة في جزيرة لامبيدوزا، إيطاليا، وتبرز أهمية المعالجة المسبقة للمحلول الملحي لإزالة البيكربونات، مما يعزز بشكل كبير نقاء Mg(OH)₂ من حوالي 94% إلى 98%. تشير النتائج إلى أن مستويات pH المثلى، وخاصة فوق 11.2، تؤدي إلى تحويل Mg²⁺ تقريبًا بالكامل وتحسين معدلات الترسيب والترشيح، حيث تصل سرعات الترسيب الأولية إلى 417 مم/ساعة، وهو أسرع بكثير من القيم المبلغ عنها سابقًا.
توضح الدراسة أيضًا تأثير pH على شكل جزيئات Mg(OH)₂، كاشفة عن أشكال شبيهة بالألواح السداسية عند pH 10.5 وأشكال كروية نانوية عند pH 12. كما تؤكد الدراسة أن القيم الأعلى من pH تقلل من محتوى البورون، وهو أمر ضروري لتلبية معايير الصناعة المقاومة. بالإضافة إلى ذلك، تلعب الديناميكا الهيدروليكية للمفاعل، وخاصة معدلات تدفق المحلول الملحي، دورًا حاسمًا في خصائص الترسيب والترشيح للمعلقات المنتجة. تشير تحليل تقني اقتصادي أولي إلى أن العملية قابلة للتطبيق اقتصاديًا، مع أهداف استرداد المغنيسيوم القابلة للتكيف لمختلف السيناريوهات، بما في ذلك نهج الترسيب ذو الخطوتين لتوفير المواد الكيميائية في أنظمة التحلية الدائرية. توفر الدراسة إرشادات تشغيلية رئيسية لتحسين إنتاج Mg(OH)₂ من المحاليل المالحة عبر مواقع مختلفة.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث القضايا الملحة المتعلقة بإجهاد المياه والندرة، مبرزةً إمكانيات تقنيات التحلية لإنتاج مياه الشرب من مياه البحر. حاليًا، يتم إنتاج حوالي 95 مليون متر مكعب من مياه الشرب يوميًا من خلال التحلية، باستخدام تقنية التناضح العكسي (RO) بشكل أساسي. تنتج هذه العملية تيارين: النفاذ، الذي يحتوي على نسبة منخفضة من الأملاح ويتطلب إعادة التمعدن لأغراض الشرب، والمحتجز أو المحلول الملحي، وهو محلول مالح غالبًا ما يتم التخلص منه. ومع ذلك، تحتوي المحاليل المالحة على عناصر قيمة، بما في ذلك المغنيسيوم، الذي يعتبر ذا أهمية اقتصادية ويصنف كمواد خام حيوية من قبل الاتحاد الأوروبي.
تستعرض الورقة طرقًا مختلفة لاسترداد هيدروكسيد المغنيسيوم، Mg(OH)₂، من المحاليل المالحة الناتجة عن التحلية، مشيرةً إلى أنه على الرغم من إجراء دراسات في المختبر والمقاييس التجريبية، إلا أن هناك نقصًا في الأبحاث حول الإنتاج على نطاق صناعي. يهدف المؤلفون إلى سد هذه الفجوة من خلال مشروع “Brine-To-Value”، الذي يسعى لإنتاج Mg(OH)₂ عالي النقاء بشكل مستدام من المحاليل المالحة الناتجة عن التناضح العكسي. تتضمن العملية المقترحة تحميض المحلول الملحي لإزالة أيونات البيكربونات، تليها عملية التبلور لإنتاج Mg(OH)₂ وتبلور ثانٍ للمعادن الكالسيوم والمغنيسيوم، والتي يمكن استخدامها لإعادة تمعدن النفاذ. كما يتضمن المشروع وحدة التحليل الكهربائي لتوليد المواد الكيميائية اللازمة في الموقع، مما يعزز الاستدامة والجدوى الاقتصادية. ستقوم الدراسة بتقييم معلمات تشغيلية مختلفة وإجراء تحليل تقني اقتصادي لتقييم جدوى الطريقة المقترحة.
طرق
تحدد قسم “الطرق” في ورقة البحث المواد والإجراءات المستخدمة في الدراسة. توضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية أو أدوات أو برامج، وتصف التصميم التجريبي، بما في ذلك اختيار العينات، وتقنيات جمع البيانات، والأساليب التحليلية. يبرز القسم صرامة وقابلية تكرار الطرق، مما يضمن إمكانية التحقق من النتائج من قبل باحثين آخرين.
بالإضافة إلى ذلك، قد تشمل الطرق التحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها لتفسير البيانات، مع تحديد أي نماذج أو اختبارات تم تطبيقها. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتوفير إطار شامل لفهم كيفية إجراء البحث، مما يسمح بالتقييم النقدي للنتائج وآثارها.
النتائج
في قسم النتائج، يتم تقديم النتائج من الحملة التجريبية، مع تسليط الضوء على استقرار المفاعل على مر الزمن. تم إجراء تجربة طويلة الأمد لتقييم هذا الاستقرار، مع تقديم نتائج مفصلة في الملحق A.1. هذا التقييم ضروري لفهم أداء المفاعل وموثوقيته في ظروف التشغيل الممتدة.
المناقشة
تم استخدام مفاعل تدفق متعدد التغذية (MF-PFR) على نطاق تجريبي لتخليق هيدروكسيد المغنيسيوم (Mg(OH)₂) من المحاليل المالحة الناتجة عن تحلية مياه البحر. ساعد تصميم المفاعل، الذي يتميز بأنابيب متحدة المحور، في الحقن المنضبط للمحلول الملحي ومحاليل هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، مما أدى إلى تحسين عملية الترسيب الموصوفة بالتفاعل \( \text{Mg}^{2+} (aq) + 2 \cdot \text{OH}^- (aq) \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 (s) \downarrow \). تم تغيير المعلمات التشغيلية الرئيسية، بما في ذلك محتوى البيكربونات، وpH التفاعل، ومعدل تدفق المحلول الملحي، بشكل منهجي لتقييم تأثيرها على خصائص Mg(OH)₂ المُصنّع. من الجدير بالذكر أنه تم تحديد معدل إزالة البيكربونات بنسبة 70% لتقليل الترسيب المشترك لكربونات الكالسيوم، مما يعزز نقاء المنتج النهائي.
أشارت النتائج إلى أن سرعات الترسيب الأولية لمعلقات Mg(OH)₂ قد تحسنت بشكل كبير بعد الغسيل، حيث وصلت القيم إلى 612 مم/ساعة، وذلك بسبب تقليل التفاعلات الكهروستاتيكية بين الجزيئات. كما تأثر نقاء المواد الصلبة المُصنّعة بـ pH وإزالة البيكربونات، حيث تجاوزت نقاء الكاتيونات 98.3% في الظروف المثلى. علاوة على ذلك، أظهرت التغيرات في معدل تدفق المحلول القلوي علاقة معقدة بين pH ومعدلات الترسيب وخصائص الترشيح، حيث أدت القيم الأعلى من pH في البداية إلى تحسين الاسترداد ولكنها أدت لاحقًا إلى انخفاض كفاءة الترسيب بسبب زيادة النوى وتكتل الجزيئات. بشكل عام، أظهر مفاعل MF-PFR إمكانيات فعالة لإنتاج Mg(OH)₂ من المحاليل المالحة الناتجة عن مياه البحر، مع آثار على الجدوى الاقتصادية وجودة المنتج في التطبيقات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119052
Publication Date: 2025-05-22
Author(s): Lorenzo Ventimiglia et al.
Primary Topic: Membrane Separation Technologies
Overview
This research investigates the production of magnesium hydroxide (Mg(OH)₂) from reverse osmosis (RO) desalination brine at a semi-industrial scale, utilizing a Multi Feed Plug Flow Reactor (MF-PFR) prototype. Conducted on the island of Lampedusa, Italy, the study highlights the importance of brine pre-treatment to remove bicarbonates, which significantly enhances the purity of Mg(OH)₂ from approximately 94% to 98%. The findings indicate that optimal pH levels, particularly above 11.2, lead to nearly complete Mg²⁺ conversion and improved settling and filtration rates, with initial settling velocities reaching 417 mm/h, which is notably faster than previously reported values.
The research further elucidates the impact of pH on the morphology of Mg(OH)₂ particles, revealing hexagonal plate-like shapes at pH 10.5 and nanometric globular forms at pH 12. The study also emphasizes that higher pH values reduce boron content, essential for meeting refractory industry standards. Additionally, the hydrodynamics of the reactor, particularly brine flow rates, play a critical role in the settling and filtration characteristics of the produced suspensions. A preliminary techno-economic analysis suggests the process is economically viable, with adaptable Mg-recovery targets for various scenarios, including a dual-step precipitation approach for chemical supply in circular desalination systems. The research provides key operational guidelines for optimizing Mg(OH)₂ production from saline solutions across different locations.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the pressing issues of water stress and scarcity, highlighting the potential of desalination technologies to produce drinking water from seawater. Currently, approximately 95 million cubic meters of drinking water are generated daily through desalination, predominantly using reverse osmosis (RO) technology. This process yields two streams: the permeate, which is low in salts and requires re-mineralization for drinking purposes, and the retentate or brine, a saline solution that is often discarded. However, brines contain valuable elements, including magnesium, which is economically significant and classified as a critical raw material by the European Union.
The paper reviews various methods for recovering magnesium hydroxide, Mg(OH)₂, from desalination brines, noting that while laboratory and pilot-scale studies have been conducted, there is a lack of research on industrial-scale production. The authors aim to fill this gap through the “Brine-To-Value” project, which seeks to sustainably produce high-purity Mg(OH)₂ from RO brines. The proposed process involves acidifying the brine to remove bicarbonate ions, followed by crystallization to produce Mg(OH)₂ and a second crystallization for calcium and magnesium minerals, which can be used for remineralizing the permeate. The project also incorporates an electrodialysis unit to generate the necessary chemicals in situ, enhancing sustainability and cost-effectiveness. The study will evaluate various operational parameters and conduct a techno-economic analysis to assess the feasibility of the proposed method.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the materials and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, instruments, or software, and describes the experimental design, including sample selection, data collection techniques, and analytical methods. The section emphasizes the rigor and reproducibility of the methods, ensuring that the findings can be validated by other researchers.
Additionally, the methods may include statistical analyses performed to interpret the data, specifying any models or tests applied. Overall, this section serves to provide a comprehensive framework for understanding how the research was conducted, allowing for critical evaluation of the results and their implications.
Results
In the Results section, the findings from the experimental campaign are presented, highlighting the reactor’s stability over time. A long-run experiment was conducted to evaluate this stability, with detailed results provided in Appendix A.1. This assessment is crucial for understanding the reactor’s performance and reliability in extended operational conditions.
Discussion
The pilot-scale Multi-Feed Plug Flow reactor (MF-PFR) was utilized to synthesize magnesium hydroxide (Mg(OH)₂) from seawater desalination brines. The reactor’s design, featuring coaxial tubes, facilitated the controlled injection of brine and sodium hydroxide (NaOH) solutions, optimizing the precipitation process described by the reaction \( \text{Mg}^{2+} (aq) + 2 \cdot \text{OH}^- (aq) \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 (s) \downarrow \). Key operational parameters, including bicarbonate content, reaction pH, and brine flow rate, were systematically varied to assess their impact on the characteristics of the synthesized Mg(OH)₂. Notably, a bicarbonate removal rate of 70% was established to mitigate calcium carbonate coprecipitation, enhancing the purity of the final product.
The findings indicated that the initial settling velocities of Mg(OH)₂ suspensions were significantly improved post-washing, with values reaching up to 612 mm/h, attributed to reduced electrostatic interactions among particles. The purity of the synthesized solids was also influenced by the pH and bicarbonate removal, with cationic purity exceeding 98.3% in optimal conditions. Furthermore, variations in the alkaline solution flow rate demonstrated a complex relationship between pH, settling rates, and filtration characteristics, with higher pH values initially enhancing recovery but later leading to decreased settling efficiency due to increased nucleation and particle agglomeration. Overall, the MF-PFR reactor demonstrated potential for effective Mg(OH)₂ production from seawater brines, with implications for both economic feasibility and product quality in industrial applications.