Abstract Managing shale gas produced water (SGPW) is one of the greatest challenges for shale gas industry due to its high salinity and water volume. Osmotically enhanced dewatering (OED) has great potential for treating SGPW because of its higher water recovery and lower energy consumption. This study systematically investigated the effects of operating conditions on OED performance through numerical simulation of membrane modules. The simulation results first showed that OED achieved higher water recovery over forward osmosis (FO) due to less internal concentration polarization (ICP). Water recovery could be higher with decreasing feed flow fraction, increasing normalized membrane area, and increasing hydraulic driving force fraction. It was also demonstrated that OED-RO hybrid process was able to yield more water with similar energy efficiency as one-stage RO, for SGPW of 28.5 g/L total dissolved solids (TDS) under realistic conditions considering inefficiency associated with pump and energy recovery device (ERD). Lastly, to validate our findings, OED experiments were performed with pre-treated real SGPW as a feed solution, and exhibited good agreement with the simulation results. Specifically, water recovery was achieved up to 67% with a high rejection rate of over 97% for most ions at a hydraulic pressure of 30 bar. Our modeled and experimental observations suggest that the OED-RO process can be an energy-efficient process in concentrating high salinity wastewater.

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渗透增强脱水 – 反渗透 (OED – RO) 混合系统：对页岩气采出水处理的影响

摘要 页岩气采出水（SGPW）由于其高盐度和高水量，是页岩气行业面临的最大挑战之一。渗透增强脱水 (OED) 具有更高的水回收率和更低的能耗，因此在处理 SGPW 方面具有巨大潜力。本研究通过膜组件的数值模拟系统地研究了操作条件对 OED 性能的影响。模拟结果首先表明，由于内部浓差极化 (ICP) 较少，OED 比正向渗透 (FO) 实现了更高的水回收率。随着进料流量分数的降低、标准化膜面积的增加和水力驱动力分数的增加，水回收率可能更高。还表明，考虑到与泵和能量回收相关的低效率，在实际条件下，OED-RO 混合工艺能够以与一级 RO 相似的能源效率生产更多的水，SGPW 的总溶解固体 (TDS) 为 28.5 g/L设备 (ERD)。最后，为了验证我们的发现，使用预处理的真实 SGPW 作为进料溶液进行 OED 实验，并与模拟结果显示出良好的一致性。具体而言，在 30 bar 的水压下，大多数离子的水回收率高达 67%，去除率超过 97%。我们的模型和实验观察表明，OED-RO 工艺在浓缩高盐度废水方面是一种节能工艺。考虑到与泵和能量回收装置 (ERD) 相关的低效率，在现实条件下总溶解固体 (TDS) 为 5 g/L。最后，为了验证我们的发现，使用预处理的真实 SGPW 作为进料溶液进行 OED 实验，并与模拟结果显示出良好的一致性。具体而言，在 30 bar 的水压下，大多数离子的水回收率高达 67%，去除率超过 97%。我们的模型和实验观察表明，OED-RO 工艺在浓缩高盐度废水方面是一种节能工艺。考虑到与泵和能量回收装置 (ERD) 相关的低效率，在现实条件下总溶解固体 (TDS) 为 5 g/L。最后，为了验证我们的发现，使用预处理的真实 SGPW 作为进料溶液进行 OED 实验，并与模拟结果显示出良好的一致性。具体而言，在 30 bar 的水压下，大多数离子的水回收率高达 67%，去除率超过 97%。我们的模型和实验观察表明，OED-RO 工艺在浓缩高盐度废水方面是一种节能工艺。在 30 bar 的水压下，大多数离子的水回收率高达 67%，去除率超过 97%。我们的模型和实验观察表明，OED-RO 工艺在浓缩高盐度废水方面是一种节能工艺。在 30 bar 的水压下，大多数离子的水回收率高达 67%，去除率超过 97%。我们的模型和实验观察表明，OED-RO 工艺在浓缩高盐度废水方面是一种节能工艺。