Seawater desalination using humidification-dehumidification process and its hybrid systems

Abstract

물 수요를 충족하기 위해서 해수 또는 기수에서 담수를 생산하는 담수화 기술의 필요성이 물부족에 의해서 늘어나고 있습니다. 다양한 담수화 방법 중에서 공기 가습-제습 (air humidification-dehumidification, HDH) 방법은 시스템의 구성이 복잡하지 않으며 유지 보수가 용이하고 작동이 간편한 장점으로 인해 채택되고 있습니다. 가습은 가습기(증발기)에서 발생하는 HDH 담수화 시스템의 주요 과정 중 하나이며, 여기서 수증기가 공기 중으로 증발합니다. 증발은 패킹 위에 분사되는 뜨거운 물 또는 공기 및 가습기 타워 내부의 뜨거운 물과 공기에 의해 활성화됩니다. 화석연료, 천연가스, 바이오매스, 지열 또는 태양열과 같은 다양한 에너지를 활용하여 난방을 합니다. 이중에, 친환경적인 열에너지는 태양 에너지입니다. FPC(Flat Plate Collector), ETC(Evacuated Tube Collector), PTC(Parabolic Trough Collector), FLC(Fresnel Lens Collector) 등의 태양열 집열기를 응용하여 태양 에너지를 열에너지로 변환합니다. 그 외에도 하이브리드 담수화 시스템을 사용하여 에너지 낭비를 최소화하고 시스템의 성능을 높일 수 있습니다. 또한, 하이브리드 시스템은 담수화, 전력, 공기 가열, 전기, 수소 생산 등과 같은 다른 용도로도 사용할 수 있습니다. 따라서 이 논문은 1. 실험실 규모의 HDH 장치의 가습기 내부에 플라스틱 패킹 사용, 2. 태양열을 이용한 물 및 공기를 가열하는 HDH, 3. 하이브리드 CDI-HDH 시스템의 세 부분으로 구분됩니다. 자세한 내용은 다음과 같습니다.

1. 가습기 내부에 3가지 다른 모양과 기하학적 크기의 플라스틱 패킹(Hackettes, Saddles and Snowflakes)에 대해 물질 전달 계수, 압력강하, 증류수 생산 속도 및 GOR(Gain output ratio)과 같은 시스템 성능 매개변수를 조사했습니다. 실험실 규모의HDH 를 구축하여 각 패킹별로 실험을 진행하였으며, 에너지 및 질량 균형에 기반한 수학적 모델을 공식화하여 실험 결과와 수학적 모델을 비교하였습니다. 그 결과 Hackettes 패킹은 물질 전달 계수 (0.00331 kg/m2s)와 증류수 생산 속도 (0.65 kg/h) 및 GOR(1.45)이 더 높은 것으로 나타났습니다. Saddles패킹의 경우 물질 전달 계수, 증류수 생산 속도 및 GOR은 각각 0.00291kg/m2s, 0.60kg/h 및 1.15였습니다. 또한 Snowflakes 패킹의 경우 물질전달계수, 생산성 및 GOR은 각각 0.00227 kg/m2s, 0.48 kg/h, 1.13으로 나타났습니다. 또한 Hackettes패킹의 압력 강하는 Saddle 패킹에 비해 더 높았습니다.

2. 동시 공기-해수 태양열 히터(SAWSH)로 구동하는 해수 및 공기 가열 HDH 시스템의 성능을 평가했습니다. 공기와 해수는 HDH 장치 이전에 SAWSH를 통해 가열됩니다. SAWSH-HDH 시스템의 성능은 사우디아라비아 제다의 기후를 이용하여 평가했습니다. 공기질량유량이 출구공기와 수온에 미치는 영향과 HDH의 생산성을 조사한 결과, 공기질량유량이 낮을수록 SWASH 출구에서 공기와 해수의 온도가 더 높은 것으로 나타났습니다. 공기만 가열, 물만 가열 및 둘다 가열했을 경우의 HDH 시스템 성능 비교도 수행했습니다. 물 또는 공기만 가열하는 경우에 비해 둘다 가열했을 경우 생산량이 더 높음을 알 수 있습니다. 또한, 물과 공기를 동시에 가열하는 시스템의 GOR은 물 가열 시스템보다 약간 높고, 공기 가열 시스템보다 훨씬 높습니다. 낮은 공기질량유량에서 SAWSH 출구의 해수와 공기의 최대 온도는 각각 약 83 ℃와 66℃로 나타났습니다. SAWSH를 사용하여 공기와 물을 가열하는 HDH의 생산성은 7.20kg/h인 것으로 나타났습니다. SAWSH-HDH 시스템의 최대 GOR은 6월에 3.27인 것으로 나타났습니다.

3. 하이브리드 축전식 탈염 및 가습-제습(CDI-HDH) 담수화 시스템은 CDI 입구에서 다양한 염도 및 유속에 따른 기수의 담수화를 위해 이론적으로 조사되었습니다. CDI 는 염도가 500–15000ppm 범위인 기수와 같은 낮은 염도의 물에서만 작동하기 때문에, CDI에서 배출되는 염수는 염도가 높아 CDI로 재처리할 수 없습니다. 따라서, HDH 장치는 CDI 장치 후단에 통합되어 CDI에서 배출되는 염수를 처리했습니다. 사이클 타임, 특정 에너지 소비, 증류수 생산량 및 염도는 CDI 시스템에서 먼저 평가됩니다. 그 후 CDI 염수는 상온에서 HDH 장치에 공급됩니다. CDI–HDH 시스템의 일일 증류수 생산량, 염도 및 특정 열 에너지 소비량이 계산됩니다. 시스템에서 최대 1079 L/day의 담수가 생산되었으며, HDH 장치에서 가장 높은 회수율은 24.90% 였습니다. 또한 CDI-HDH 시스템에 전력을 공급하기 위해 참신한 아이디어를 가진 두 개의 재생 가능한 에너지원을 권장합니다.

|Freshwater scarcity has resulted in a pressing need to adopt the desalination techniques for producing the freshwater from sea or brackish water in order to fulfill the freshwater demand. Aside from other effective desalination methods, air humidification dehumidification (HDH) method is predominantly adopted due to its various advantages such as uncomplicated system construction, easier maintenance and simple operation. Humidification is one of the main processes of the HDH desalination systems which occurs in the humidifier (evaporator), in which evaporation of water vapor into the air takes place. The evaporation is energized by either hot water that is sprayed over packings, or hot air and/or both hot water and hot air inside the humidifier tower. The heating is achieved by utilizing the various energy sources such as fossil fuels, natural gas, biomass, geothermal or solar. Thus, an environmentally friendly way of obtaining the heat energy is solar energy. The solar energy is converted into thermal energy with applications of solar collectors such as Flat Plate Collector (FPC), Evacuated Tube Collector (ETC), Parabolic Trough Collector (PTC), and Fresnel Lens Collector (FLC), etc. Apart from that, hybrid desalination systems may be used to increase the system performance by minimizing the energy wastage. Also, the hybrid systems are used for other purposes such as simultaneous desalination with power generation, air heating for space heating, electricity generation, hydrogen production, etc. Therefore, this dissertation has been divided into three main portions: (1. Using plastic packing material inside the humidifier of a lab-scale HDH unit, 2. Solar driven water and air heated HDH, and 3. Hybrid CDI-HDH system) as follows: 1. Utilizing the plastic packings inside the humidifier and investigate the system performance parameters such as mass transfer coefficient, pressure drop, distillate water production rate (productivity) and gain output ratio (GOR), for three different shaped and geometrical size packings (Hackettes, Saddles and Snowflakes). The small scale HDH unit was constructed and experiments were conducted for each packing, also the mathematical model based on energy and mass balance was formulated and the results from experiments and mathematical model were compared. The results showed that Hackettes packing had higher mass transfer coefficient (0.00331 kg/m2s) and higher productivity (0.65 kg/h) and GOR (1.45). For Saddles mass transfer coefficient, productivity and GOR were 0.00291 kg/m2s, 0.60 kg/h and 1.15, respectively. Also, for Snowflakes packing, the mass transfer coefficient, productivity and GOR were 0.00227 kg/m2s, 0.48 kg/h and 1.13, respectively. In addition, pressure drop in Hackettes were higher as compared to the Saddle packings. 2. The performance of seawater and air heating HDH system powered by simultaneous air-seawater solar heaters (SAWSH) was evaluated. Air and seawater were heated through a SAWSH before the HDH unit. The performance of the SAWSH–HDH system was evaluated for the climate of Jeddah, Saudi Arabia. The Effect of air mass flow rate on outlet air and water temperature, and productivity from HDH was investigated, it was found that at lower air mass flow rates, temperature of air and seawater was higher at SAWSH outlet. A performance comparison was made between HDH systems with only air heating, only water heating and both air and water heating. It was noted that the distillate rate was higher in case of both air-water heating as compared to only water and air heating. Also, the GOR of both air-water heating systems was slightly higher than the water heating system and much higher than the air heating system. Maximum seawater and air temperature at SAWSH outlet were observed to be approximately 83 ℃ and 66 ℃, respectively, under lower air mass flow rates. The productivity of HDH, which uses SAWSH to heat air and water, was found to be 7.20 kg/h. The maximum GOR from the SAWSH-HDH system was found to be 3.27 in June. 3. The hybrid capacitive deionization and humidification-dehumidification (CDI‒HDH) desalination system has been theoretically investigated for desalination of the brackish water of various salt concentrations and flow rates at the CDI inlet. Since CDI desalination works only with lower-salinity waters such as brackish water, which has a salt content in the range of 500-15000 ppm. Brine leaving the CDI is highly salty and cannot be retreated with CDI. Hence, the HDH unit was integrated immediately after the CDI unit and processed the brine from the CDI. Cycle time, specific energy consumption, distillate production rate, and distilled water salinity are first evaluated from the CDI system; subsequently, CDI brine is fed to the HDH unit at room temperature. The daily distillate production, brine salinity and specific thermal energy consumption of the CDI–HDH system is calculated. A maximum distillate of 1079 L/day was achieved from the combined system and the highest recovery ratio achieved was 24.90% from the HDH unit. Additionally, two renewable energy sources with novel ideas are recommended to power the CDI‒HDH system.