Membrane Fouling Behaviors of Pressure-Retarded Osmosis Process with CO2- Captured Alkali Solutions as Draw Solutions

Abstract

In the pursuit of carbon neutrality and sustainable development globally, it is important to develop carbon capture and renewable energy production technologies. The pressure- retarded osmosis (PRO) process is a promising technique to extract renewable osmotic energy, and its compatibility with different osmotic streams makes it suitable for hybrid processes. This study proposed a PRO-DAC (direct air capture, with aqueous alkali hydroxide sorbents) hybrid process, in which the PRO process employs fresh water and CO2-captured solution as feed and draw solutions respectively to generate renewable energy. In this study, the effects of membrane types, calcium level (the potential scaling precursors) in draw solutions, and periodic physical cleaning approach (water flushing, NaCl osmotic backwashing, ultrasonication, and ultrasonication + water flushing) on PRO performance were examined, with potassium and sodium-based synthetic draw solutions (simulating CO2-capture solutions). The results indicated that the increasing calcium concentrations in draw solutions displayed dissimilar impacts on the water and salt fluxes in the PRO process which were dependent on draw solution compositions and membrane types. This phenomenon was associated with the size, amount, and morphology of the formed Ca(HCO3)2/CaCO3 foulants as well as the foulant-membrane interaction. Under the same periodic physical cleaning frequency, ultrasonication-facilitated cleaning methods displayed better cleaning effectiveness for the PRO process. The economic analysis reveals that a full-scale PRO plant that offers an energy generation capacity at 2.64 GWh/yr leads to a levelized cost of energy (LCOE) at 0.24 €/kWh under the Icelandic scenario. This can support the net energy demand for a high-temperature aqueous hydroxide solution-based DAC with a capacity of 1410 t-CO2/yr.

Við leit að kolefnishlutleysi og sjálfbærri þróun á heimsvísu er mikilvægt að þróa kolefnisfanga og endurnýjanlega orkuframleiðslutækni. Þrýstingshamlaðs osmósuferlið (e. pressure-retarded osmosis, PRO) er efnileg tækni til að vinna út sjálfbæra osmósuorku og samhæfni þess við mismunandi osmósustrauma gerir það hentugt fyrir blendingsferli. Þessi rannsókn lagði til PRO-DAC (bein loftfanga (e. Direct air capture), með vatnskenndum alkalíhýdroxíðsogefnum) blendingsferli, þar sem PRO ferlið notar ferskt vatn og CO2-fangaða lausn sem fóður (e. Feed)- og dráttarlausnir (e. draw) til að framleiða endurnýjanlega orku. Í þessari rannsókn voru áhrif himnutegunda, kalsíummagns (hugsanlegir mælikvarðaforverar) í dráttarlausn og reglubundin hreinsunaraðferð (vatnsskolun, NaCl osmósabakþvottur, úthljóðshreinsun og úthljóðshreinsun + vatnsskolun) prófuð á PRO frammistöðu, með tilbúnum dráttarlausnum úr kalíum- og natríum- (sem líkja eftir CO2-fangalausnum). Niðurstöðurnar leiða í ljós að aukinn kalsíumstyrkur í dráttarlausnum sýndi ólík áhrif á vatns- og saltflæðið í PRO ferlinu með mismunandi samsetningu dráttarlausna og himnugerða. Þetta fyrirbæri var tengt stærð, magni og formgerð Ca(HCO3)2/CaCO3 óhreininda sem og samspili óhreininda-himnu. Við sömu reglubundnu líkamlegu hreinsunartíðnina sýndu úthljóðshreinsunartengdar hreinsunaraðferðir betri hreinsunarvirkni fyrir PRO ferlið. Hagfræðileg greining leiðir í ljós að PRO verksmiðja í fullri stærð sem býður upp á orkuaflgetu 2,64 GWh/ári leiðir til jafns orkukostnaðar (e. levelized cost of energy, LCOE) um 0,24 €/kWh í íslensku samhengi. Þetta getur staðið undir nettóorkuþörf fyrir háhita vatnskennda hýdroxíðlausn sem byggir á DAC með afkastagetu upp á 1410 t-CO2/ár.