Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorØsterhus,Stein W. (NTNU)
dc.contributor.advisorGeißen, Sven-U. (TUB)
dc.contributor.authorAbdelhamed, Yasser K.
dc.date.accessioned2020-02-26T15:00:35Z
dc.date.available2020-02-26T15:00:35Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2644045
dc.description.abstractProdusert vann (PW) er en blanding/mikstur av oppløst olje i vannemulsjoner, oppløste organiske forbindelser, uorganiske partikler, rester av kjemiske tilsetningsstoffer og spor av tungmetaller. Med økende gass- og oljeutvinning, samt økt feltmodning, øker generelt også mengden produsert vann og dette representerer nå den største avfallsstrømmen som genereres under produksjonen av olje og gass. Forskrifter om norsk kontinentalsokkel (NCS) blir stadig strengere med hensyn til utslippskvalitet på produsert vann, og de nye, mer effektive behandlingsteknologiene er svært ettertraktet. På norsk sokkel utgjør dette rundt 160-130 millioner m3 / år (NOGA, 2018). Av dette volumet slippes mesteparten ut i havet. Siden 2007 har utslippsreguleringen av NCS blitt endret til < 30 mg/L av olje i det behandlede vannet. Dessuten har "Null skadelige vannutslipp" -politikken blitt foreslått av norske myndigheter for å kunne beskytte kystmiljøet ytterligere, noe som vil kreve enda lavere konsentrasjon av olje og grønne kjemikalier for vannbehandling. For å redusere miljøbelastningen av forurensninger i produsert vann, brukes forskjellige teknologier for innovasjonsbehandling på plattformen for sammen å bidra til å få vannets oljeinnhold så lavt som mulig, samt oppnå en ufarlig utløpsprosess. Membranteknologi er en mer effektiv metode for å oppfylle de innstrammede, noe strengere forskriftene enn de konvensjonelle behandlingsmetodene. Membranforurensning er imidlertid svært alvorlig under PW-behandling og øker dermed mye av behandlingskostnadene. tilbake pulsering er en lovende teknikk som er effektiv for å fjerne hydraulisk reversibel begroing og genererer ikke kjemisk avfall under rengjøringsprosessen. I denne masteroppgaven ble normale filtreringseksperimenter uten noen form for rengjøring utført kortsiktig på 2 timer. Ti typer syntetisk PW og tre typer rørformede keramiske membraner med forskjellige selektive lag ble testet. Tilbake pulsering (BP) og tilbakespylings (BW) ble sammenlignet for behandling av fire typer syntetisk PW i 12 timers lange forsøk. Begge teknikker viste at begroingshastigheten kunne minimeres sammenlignet med filtreringer uten rengjøring. Påvirkningen av BP og BW ble sammenlignet siden enkelte mindre kjente litterære tekster har vist resultater om det. I tillegg ble blokkerende filtreringsmodeller brukt for å analysere og definere begroingssituasjonen og forstå begroingsmekanismen i normal filtrering av forskjellige typer PW. Den kortvarige undersøkelsen viste at forskjellige typer syntetisk PW hadde forskjellig innvirkning på membranytelsen. Påvirkningen av å endre pH på membranytelsen kan ignoreres ettersom de observerte responsene i stor grad var forskjellige verdier av pH. Til motsetning har bruk av Real-Brine fantastisk god effekt på membranytelsen og begroingen. Real-Brine viste høyere rengjøringsytelse og lavere begroingsutvikling og lavere oljekonsentrasjon i permeatet. Også oljeegenskapene hadde betydelig innflytelse på membranens ytelse og utvikling av begroelse. Høyere harpiks- og asfalten-innhold i råoljene resulterte i lavere filtreringsytelse av membranen og høyere oljekonsentrasjon i permeatet. Videre hadde tilstedeværelsen av nanopartikler i fôrvannet en betydelig effekt på membranytelsen og reduserte membranmotstanden betydelig. Disse partiklene kan fungere som adsorbent / koagulant og reduserer begroingen. Sett i motsetning økte påvirkningen ved høyere konsentrasjon av mikropartikler membranresistensen betydelig på grunn av raskere avsetning av oljeemulsjoner og partikler til membranoverflaten som så forårsaker et overlegent potensiale for blokkering av membranporene. Forurensningsvurderingen viste videre at lavere oljekonsentrasjon, mindre dråpestørrelsesfordeling, og ingen mikropartikler, forventes å gi den bedre langsiktig membranoperasjon. Dette fordi, en av de viktigste “viktige” faktorene som påvirker membranytelsen og utvikling av begroing, nettopp er selve begroingstypen. Blokkerende filtreringsmodeller ble brukt for å redusere fluksnedgang og skille begroingstypene. Modellene ble utviklet fra henholdsvis dead-end/blindveis-, og tverrstrømsfiltrering ved konstant transmembrantrykk (∆P) og konstant tverrstrømningshastighet (u). Konklusjoner var at blindmodusfiltreringsmodell bare kunne skille begroingstypen mellom standardblokkering og “kakefiltrering”. Derimot kunne den utviklede tverrstrømsfiltreringsmodellen skille mellom alle begroingstyper. Videre viste de langsiktige undersøkelsesresultatene fra testing av BP- og BW-teknikker at BP-teknikker bidro til å holde membranen ren ved å unngå og redusere ytterligere avsetning av oljedråper og partikler på membranoverflaten. Dessuten viste vurderingen av påvirkningen til BP og BW at de fleste av BP-eksperimentene oppnådde høyere forbedring enn BW, og det totale volumet av permeat i BP-eksperimenter i gjennomsnitt var 4 ganger høyere enn det for BW. Også vurderingen av påvirkningen av BP og BW på forskjellige membrantyper viste at membran med selektivt lag Al2O3 er den mest effektive for å behandle fôr med høy oljekonsentrasjon. Videre viste påvirkningen fra BP og BW på forskjellige typer råolje at BP ikke så lett fikk fjernet de absorberte/koagulerte tilsmussingene til membranoverflaten, da det var mer effektivt å fjerne avsetningene på overflaten og ikke inne i membranporene. I tillegg viste påvirkningen av BP og BW på PW med partikler etter tilsetning av kolloidale partikler til det syntetiske produserte vannet, redusert påvirkningen. Dette skjer på grunn av at innvendig blokkering finner sted i de store porene i membranen, noe som fører til at BP ikke er effektiv nok til å fjerne tilsmussingen fra disse porene. Bruk av membran med mindre porestørrelse økte således BP-effekten. Dessuten viste påvirkningen av BP og BW, på forskjellige saltvann etter anvendelse av BP for Real-Brine permeatfluksen, økninger med 5 ganger høyere i gjennomsnitt enn uten BP og det tilsvarer en økning med 18% sammenlignet med Na-Brine. Endelig har eksperimenter vist at BP er effektivt for å dempe membranforurensing i PW-behandling. Effektiviteten varierer imidlertid mellom forskjellige typer PW-, tilbakespylings- og tilbakespulingsteknikker forbedrer membranytelsen med henholdsvis 75% og 300%. Resultatene viser også at den opprinnelige fluksen av membranen ikke kunne gjenopprettes på grunn av den irreversible begroingen. BP reduserer dannelsen av irreversibel begroing mer enn BW. Dessuten viser resultatene at BW alltid har skapt høyere irreversibel begroing på membranoverflaten. Videre viste BP-resultatene at målet om veldig lav oljekonsentrasjon i permeatet (dvs. <5 ppm) kan oppnås under noen av testbetingelsene, avhengig av egenskapene til det produserte vannet. Nøkkelord: Tilbake pulsering, Tilbakespylings, Produsert vann, Blokkeringsfiltersmodell
dc.description.abstractProduced water (PW) is a mixture of dispersed oil, dissolved organic compounds, inorganic particles, residuals of chemical additives, and traces of heavy metals. With increasing gas and oil extraction as well as increased field maturity, the amount of produced water generally increases and is the largest waste stream generated during the production of oil and gas. On the Norwegian continental shelf (NCS), PW represents around 160-130 million m3/year from 2003-17 (NOGA, 2018). Most of this volume discharged to the sea. Since 2007, the discharge regulations on NCS has changed to < 30 mg/L of oil in the treated water. Besides, ‘Zero Harmful Discharge’ policy was suggested by the Norwegian authorities to protect further the coastal environment, which requires further lower oil concentration and green chemicals for water treatment to reduce the environmental impact of contaminants in produced water, various innovation treatment technologies are applied on the platform to help get the water’s oil content as low as possible and accomplishing a harmless effluent discharge. Membrane technology is more efficient to meet the more stringent regulations than conventional treatment methods. However, membrane fouling is very severe in PW treatment and thus increases a lot of the treatment cost. Backpulsing is a promising technique that is efficient to remove hydraulically reversible fouling and generate no chemical waste during the cleaning process. In this master thesis, normal filtration experiments without any cleaning were carried out in 2h short-term. Ten types of synthetic PW and three types of tubular ceramic membranes with different selective layers were tested. Backpulsing (BP) and backwashing (BW) were compared for the treatment of four types of synthetic PW in 12h long-term experiments. Both techniques showed that the fouling rate could be minimized compared to filtrations without cleaning. The influence of BP and BW were compared since there was rare literature showed results on that. Besides, blocking filtration models were applied to analyze and define the fouling situation and understand the fouling mechanism in the normal filtration of different types of PW. The short-term investigation showed that different types of synthetic PW had various impact on membrane performance. The influence of changing pH on the membrane performance could be ignored as the observed responses seen in different ranges values of pH. Conversely, using Real-Brine has a magnificent effect on membrane performance and fouling development. Real-Brine showed higher cleaning performance, and lower fouling development and lower oil concentration in the permeate. Also, oil properties had a significant influence on membrane performance and fouling development. Higher resin and asphaltene content in the crude oils resulted in lower filtration performance of membrane and higher oil concentration in the permeate. Moreover, the presence of nanoparticles in the feed water had a significant effect on membrane performance and decreased membrane resistance significantly. These particles might work as adsorbent/coagulant and decreased fouling. Conversely, the influence of higher concentration of microparticles increased the membrane resistance significantly due to the faster deposition of oil emulsions and particles to the membrane surface, causing a superior potential of blocking to the membrane pores. Further, the fouling assessment showed that the lower oil concentration, smaller droplet size distribution, no microparticles is expected to give better long-term membrane operation as one of the main important factors that affect membrane performance and fouling development is the fouling type itself. Blocking filtration models were used for model flux decline and distinguish the fouling types. The models were developed from dead-end and cross-flow filtration, respectively, at constant transmembrane pressure (∆P) and constant cross-flow velocity (u). Conclusions were that dead-end filtration model could distinguish the fouling type between standard blocking and cake filtration only. On the other hand, the developed cross-flow filtration model could distinguish between all the fouling types. These models aim to assist the long-term investigations in choosing which type of PW will be better to use in BP and BW experiments. Moreover, the long-term investigation results from testing BP and BW techniques showed that BP techniques helped to keep the membrane clean by avoiding and reducing further deposition of oil droplets and particles on the membrane surface. Besides, the assessment of the influence of BP and BW showed that most of BP experiments obtained greater improvement than BW and the total volume of permeate in BP experiments was four times higher than that of BW on average. Also, the assessment of the influence of BP and BW on different membranes types showed that membrane with selective layer Al2O3 is the most effective to treat a feed with high oil concentration. Furthermore, the influence of BP and BW on different types of crude oil showed that BP did not easily remove adsorbed foulants to the membrane surface as it was more efficient to remove depositions on the surface and not inside the membrane pores. Also, the influence of BP and BW on PW with particles showed after adding Kaolin particles to the synthetic produced water, the influence decreased. Due to, internal blocking is taking place in the large pores of the membrane, directing BP to be not effective enough for removing foulants from these pores. Thus, using a membrane with smaller pore size increased BP effect. Moreover, the influence of BP and BW on different Brines showed after applying BP for Real-Brine the permeate flux increases by five times on average than without BP and increased by 18% in comparison with Na-Brine. Finally, experiments have shown that BP is effective in mitigating membrane fouling in PW treatment. However, the efficiency varies between different types of PW, backwashing, and backpulsing techniques enhance the membrane performance by 75%, and 300% on average, respectively. Also, the results show that the original flux of the membrane could not be restored due to the irreversible fouling. BP is decreasing the formation of irreversible fouling more than BW. Besides, the results show that BW has always created higher irreversible fouling on the membrane surface. Furthermore, the BP results showed that the target of very low oil concentration in the permeate (i.e., < 5 ppm) could be achieved in some of the test conditions depending on produced water characteristics. Keywords: Backpulsing, Produced water, Fouling Mitigation, Blocking filtration modeling
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleTreatment of produced water: Application of backpulsing for membrane fouling mitigation
dc.typeBachelor thesis


Tilhørende fil(er)

FilerStørrelseFormatVis
no.ntnu:inspera:43149045:42488222.pdfn/aapplication/pdfÅpne

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel