Seawater Brines Treatment and Valorization Through Minerals Recovery at Pilot Scale

The research focused on the valorization of waste brines, aiming at the recovery of water and dissolved minerals within the broader context of a circular water economy.As part of the EU project WATER-MINING, studies were carried out on a Multi-Effect Distillation (MED) system designed to concentrate brines as a pretreatment step in Zero Liquid Discharge (ZLD) schemes. Optimization of the process allowed water recovery above 80% and the production of brines up to eight times more concentrated than the feed, confirming the potential of MED technology as both a desalination and brine-concentration unit suitable for industrial applications.Within the SEArcularMINE project, activities involved the modeling, design, and implementation of an integrated treatment chain for the valorization of bitterns, ultra-concentrated brines derived from salt production. A simulation tool was developed to describe the overall process and support the design of the hydraulic interconnection network among the pilot units.Special efforts were made to model and operate the pretreatment processes of bittern, i.e., Ultrafiltration (UF) and pH Swing Adsorption (pHSA) for trace elements recovery.Experimental investigations on UF enabled the development of predictive models for viscosity and fouling behavior, leading to the identification of optimal operating conditions (2 bar, 95% removal of suspended organics, and permeate fluxes of 10–30 LMH). The retentate was further processed for carotenoid recovery, with zeaxanthin and antheraxanthin identified as compounds of interest.The pHSA units demonstrated high boron recovery (>90%), and the possibility of recovering boric acid via evaporation was investigated, leading to not-promising results. The application of Assisted Reverse Electrodialysis (ARED) as a post-treatment improved boric acid recovery and purity to 100%. Additional pHSA units showed efficient recovery of other valuable ions such as strontium, rubidium, and cesium.The entire SEArcularMINE chain was modeled and optimized in Python to assess the best configuration of the plant and the resulting economy of the process. A Levelized Cost of 1.73 €/kg for Mg(OH)2 at pilot scale and about 0.5 €/kg at industrial scale was determined, indicating strong economic competitiveness at the industrial scale.A techno-economic analysis was also performed within the CARMEn treatment chain, confirming the process flexibility of this specific treatment chain for different brines and demonstrating the possibility of further recovering water (water recovery rates up to 0.6 m³/h) and minerals.Overall, the research combined experimental, modeling, and optimization approaches to develop and assess integrated brine treatment and resource recovery strategies. The results contribute to the definition of innovative and sustainable MLD/ZLD schemes that can achieve high recovery efficiencies and favorable economic performance, paving the way for industrial implementation.

La ricerca ha avuto come obiettivo la valorizzazione delle salamoie di scarto, finalizzata al recupero dell’acqua e dei minerali disciolti, nel quadro più ampio di una gestione circolare delle risorse idriche.Nell’ambito del progetto europeo WATER-MINING, sono stati condotti studi su un sistema di Distillazione a Effetti Multipli (MED), progettato per la concentrazione delle salamoie come fase di pretrattamento in schemi di Zero Liquid Discharge (ZLD). L’ottimizzazione del processo ha consentito di raggiungere un recupero d’acqua superiore all’80% e di produrre salamoie fino a otto volte più concentrate rispetto all’alimentazione iniziale, confermando così il potenziale della tecnologia MED sia come unità di dissalazione, sia come sistema di concentrazione delle salamoie, idoneo ad applicazioni industriali.Nel contesto del progetto SEArcularMINE, le attività hanno riguardato la modellazione, la progettazione e l’implementazione di una catena di trattamento integrata per la valorizzazione dei bittern, ovvero salamoie ultra-concentrate derivanti dalla produzione di sale. È stato sviluppato uno strumento di simulazione per descrivere l’intero processo e supportare la progettazione del circuito idraulico di interconnessione tra gli impianti pilota.Particolari sforzi sono stati effettuati per la modellazione e caratterizzazione delle unità di pretrattamento della bittern tra cui l’unità di Ultrafiltrazione (UF) e di Adsorbimento a variazione di pH (pHSA) per il recupero dei minerali in traccia.Le indagini sperimentali sull’UF hanno permesso di sviluppare modelli predittivi relativi alla viscosità e al comportamento di fouling, portando all’individuazione delle condizioni operative ottimali (2 bar, 95% di rimozione degli organici sospesi e flussi di permeato compresi tra 10 e 30 LMH). Il retentato è stato successivamente trattato per il recupero di pigmenti, individuando la zeaxantina come composto di interesse.Le unità pHSA hanno mostrato efficienze di recupero del boro superiori al 90%; è stata inoltre valutata la possibilità di recuperare acido borico mediante evaporazione, sebbene con risultati poco promettenti. L’applicazione di una Assisted Reverse ElectroDialysis (ARED) come post-trattamento ha invece consentito di migliorare il recupero e la purezza dell’acido borico fino al raggiungimento di valori di recupero e purezze del 100%. Ulteriori unità operative hanno dimostrato un recupero efficiente di ioni di valore, quali calcio, magnesio, stronzio, rubidio e cesio.L’intera catena di processo SEArcularMINE è stata modellata e ottimizzata in Python per individuare la configurazione impiantistica ottimale e valutare la redditività complessiva del processo. È stato stimato un costo livellato di 1,73 €/kg per Mg(OH)2 su scala pilota e di circa 0,5 €/kg su scala industriale, evidenziando un’elevata competitività economica.Una valutazione tecnico-economica condotta anche nell’ambito della catena di trattamento CARMEn ha confermato la flessibilità del processo per diverse tipologie di salamoie, dimostrando al contempo la possibilità di recuperare ulteriormente acqua (fino a 0,6 m³/h) e minerali di interesse.Complessivamente, la ricerca ha combinato approcci sperimentali, di modellazione e di ottimizzazione per sviluppare e valutare strategie integrate di trattamento e recupero di risorse da salamoie. I risultati ottenuti contribuiscono alla definizione di schemi innovativi e sostenibili di MLD/ZLD, in grado di garantire elevate efficienze di recupero e prestazioni economiche favorevoli, aprendo la strada alla loro implementazione su scala industriale.