1. Title & Journal

 

Forward osmosis treatment of drilling mud and fracturing wastewater from oil and gas operations

 

2. Background of author

 

Kerri L. Hickenbottom (a), Nathan T. Hancock (a), Nathan R. Hutchings (b), Eric W. Appleton (b),

Edward G. Beaudry (c), Pei Xu (a), Tzahi Y. Cath (a)*

 

a : Colorado School of Mines, Golden, CO, USA

b : Bear Creek Services, Shreveport, LA, USA

c : Hydration Technology Innovations, Albany, OR, USA

 

3. Summary

 

 

I.      The main objective of this study

 

이 논문의 목적은 oil과 gas를 이용하면서 나오는 waste stream이 각각의 다른 조건에서의 FO process를 이용하여 처리하였을 때 performance과정을 평가하고 그 프로세스를 최적화 하는 것이다.

 

 

II.     Materials and methods

 

l  FO membrane: CTA ( cellulose triacetate ) polymer / 50  thick

l  The initial volumes : draw ? 1L / feed ? 5L

l  Procedures: baseline test → 첫번째 실험 (a) → 두번째 실험 (b) → 세번째 실험 (c) 

l  Recovery rates and concentrations of draw solutions

(a)   첫 번째 실험 ? recovery rate: 80%, conc. of draw: 50 g/L

(b)   두 번째 실험 ? recovery rate: 80%, conc. of draw: 50 g/L

(c)    세 번째 실험 ? recovery rate: 50%, conc. of draw: 75 g/L

 

l  Feed condition

-       Conductivity increased to 4.4mS/cm (2.5 g/L NaCl) over the duration of the experiment

 

 

 

III.   Results and discussion

 

 

l  Water flux

(a)    첫 번째 실험 ? 14 L/m²-h → 2 L/m²-h

(b)    두 번째 실험 ? 12 L/m²-h → 2.5 L/m²-h

(c)    세 번째 실험 ? 12 L/m²-h → 4 L/m²-h

 

 

-       세가지 실험의 초기 flux는 모두 baseline test에서의 초기 flux보다 낮은 결과를 보였다.

-       이유 : feed 용액의 high salinity and viscosity 가 융합되어서 높은 농도의 suspended solids를 만들어낸다. 이 suspended solids는 membrane fouling을 만들어 내고, 그 결과 water flux는 점차 줄어들게 된다.

 

l  Velocities

-       두 가지의 실험 : Higher : 0.3 m/s , lower : 0.075 m/s

-       높은 flux velocity는 membrane surface scouring를 높여주고, 농도분극현상을 줄여준다.

-       이러한 이유로 높은 flux velocity에서 더 높은 water flux를 보인다.

 

l  Solute transport during osmotic dilution

  -       Draw solution에 있는 대부분의 prevalent ions는 희석이 된다. ( Na⁺, Cl^-, SO₄^2-)

-       Feed 에 있는 대부분의 prevalent ions는 draw solution을 오염시키지 않는다. ( Al³⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Fe³⁺, K⁺, Mg²⁺, and Si )

-       그러므로 the diluted draw solution은 well fracturing or further desalinated에 purified water를 생산해 내는데 안전하고 유용하게 쓰일 수 있다.

-       1150 mg TDS were added to the feed stream ( mass balance : 1300 mg TDS )

-       Reverse salt flux : 460 mg/L ( mass balance : 500 mg/L )

 

l  Rejection of organic constituents by FO membrane

-       COD (draw solution) : 7.6 mg/L → 1.8 mg/L

-       DOC :

1)     Draw solution: 2.49 mg/L → 3.66 ~ 12mg/L ( equivalent to 4.82 mg/L in the permeating water )

2)     Feed solution: 219.7mg/L → 552.4 mg/L

-       전반적인 실험에서, humic acid- like and fulvic acid-like compounds ? which are small molecular weight organic compounds- 가 draw solution 흡수되었다. 특히, 두번째 실험에서 분명하게 발견되었는데, 이는 살짝 연장된 실험 동안에 증가된 diffusion 때문으로 보인다.

 

l  Membrane cleaning

-       각각의 실험을 마친 후엔 30분동안 deionized water를 feed side쪽에서 recirculate을 시키면서 쌓여있는 solids를 membrane surface에서 제거하였다.

-       세번째 실험에서는 deionized water를 draw solution side쪽에 주입하는 Modified osmotic backwashing 방법을 사용하여서 cleaning을 하였다.

-       Modified osmotic backwashing 방법이 기존의 방식보다 시간을 단축하였고(~30%), fouling layer를 완벽하게 제거하였다.

 

 

 

IV.   Conclusion

 

-       Feed solution이 3배 이상의 농도변화를 보였다.

-       Drilling wastewater로부터 80% 이상의 volume을 recover하였다.

-       Membrane fouling으로 인한 driving force감소로 매 실험마다 water flux가 감소하는 경향을 보였다.

-       Osmotic backwashing membrane cleaning 기술은 chemical을 사용하지 않고도 fouling layer 제거와 초기 water flux를 회복하는 데 효과적이다.

-       결과적으로 FO는 drilling wastewater와 facilitating water 재이용에 효과적인 기술이다.

 

 

4. Originality & Creativity

FO 기술을 Fracturing watertreatment 기술에 접목시키려고 시도한 실험의 관한 내용으로, 아직은 initial한 단계이지만 FO기술을 산업적으로 적용시킬 수 있는 가능성을 보여주는 논문이다.

 

 

5. Reviewer contact : 심예영 (yyshim@gist.ac.kr)