MILP synthesis of separation processes for waste oil-in-water emulsions treatment

Abstract

This paper presents a novel synthesis method for designing integrated processes for oil-in-water (O/W) emulsions treatment. General superstructure involving alternative separation technologies is developed and modelled as a mixed integer linear programming (MILP) model for maximum annual profit. Separation processes in the superstructure are divided into three main sections of which the pretreatment and final treatment are limited to the selection of one alternative (or bypass) only, while within the intermediate section various combinations of different technologies in series can be selected. Integrated processes composed of selected separation techniques for given ranges of input chemical oxygen demand (COD) can be proposed by applying parametric analyses within the superstructure approach. This approach has been applied to an existing industrial case study for deriving optimal combinations of technologies for treating diverse oil-in-water emulsions within the range of input COD values between 1000 mg⋅L^‒1 and 145000 mg⋅L^‒1. The optimal solution represents a flexible and profitable process for reducing the COD values below maximal allowable limits for discharging effluent into surface water.

Key words： oil-in-water emulsion; chemical oxygen demand; superstructure; process synthesis; MILP

Acknowledgment

The financial support from the Slovenian Research Agency (Program No. P2-0032) is gratefully acknowledged.

References

1 Cheng C, Phipps D, Alkhaddar R M. Treatment of spent metalworking fluids. Water Research, 2005, 39(17): 4051–4063

2 Marinescu I D, Rowe W B, Dimitrov B, Ohmori H. Tribology of Abrasive Machining Processes.Oxford: Elsevier, 2013, 441–482

3 Benito J M, Cambiella A, Lobo A, Coca J, Gutiérrez G, Pazos C. Formulation, characterization and treatment of metalworking oil-in-water emulsions. Clean Technologies and Environmental Policy, 2010, 12(1): 31–41

4 Jamaly S, Giwa A, Hasan S W. Recent improvements in oily wastewater treatment: Progress, challenges, and future opportunities. Journal of Environmental Sciences (China), 2015, 37: 15–30

5 Cañizares P, Martínez F, Jiménez C, Sáez C, Rodrigo M A. Coagulation and electrocoagulation of oil-in-water emulsions. Journal of Hazardous Materials, 2008, 151(1): 44–51

6 Gutiérrez G, Lobo A, Allende D, Cambiella A, Pazos C, Coca J, Benito J M. Influence of coagulant salt addition on the treatment of oil-in-water emulsions by centrifugation, ultrafiltration, and vacuum evaporation. Separation Science and Technology, 2008, 43(7): 1884–1895

7 Vatai G N, Krstić D M, Korisa A K, Gáspára I L, Tekić M N. Ultrafiltration of oil-in-water emulsion: Comparison of ceramic and polymeric membranes. Desalination and Water Treatment, 2009, 3(1-3): 162–168 

8 Vasanth D, Pugazhenthi G, Uppaluri R. Performance of low cost ceramic microfiltration membranes for the treatment of oil-in-water emulsions. Separation Science and Technology, 2013, 48(6): 849–858

9 Karimnezhad H, Rajabi L, Salehi E, Derakhshan A A, Azimi S. Novel nanocomposite Kevlar fabric membranes: Fabrication, characterization, and performance in oil/water separation. Applied Surface Science, 2014, 293: 275–286

10 Vibhandik A D, Marathe K V. Removal of Ni(II) ions from wastewater by micellar enhanced ultrafiltration using mixed surfactants. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2014, 8(1): 79–86

11 Mahmudov R, Chen C, Huang C P. Functionalized activated carbon for the adsorptive removal of perchlorate from water solutions. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2015, 9(2): 194–208

12 Twaiq F, Nasser M S, Onaizi S A. Effect of the degree of template removal from mesoporous silicate materials on their adsorption of heavy oil from aqueous solution. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2014, 8(4): 488–497

13 Chachou L, Gueraini Y, Bouhalouane Y, Poncin S, Li H Z, Bensadok K. Application of the electro-Fenton process for cutting fluid mineralization. Environmental Technology, 2015, 36(15): 1924–1932

14 Benito J M, Ríos G, Ortea E, Fernández E, Cambiella A, Pazos C, Coca J. Design and construction of a modular pilot plant for the treatment of oil-containing wastewaters. Desalination, 2002, 147(1-3): 5–10

15 Moulai M N, Tir M. Coupling flocculation with electroflotation for waste oil/water emulsion treatment. Optimization of the operating conditions. Desalination, 2004, 161(2): 115–121

16 Bensadok K, Belkacem M, Nezzal G. Treatment of cutting oil/water emulsion by coupling coagulation and dissolved air flotation. Desalination, 2007, 206(1-3): 440–448

17 Gutiérrez G, Lobo A, Benito J M, Coca J, Pazos C. Treatment of a waste oil-in-water emulsion from a copper-rolling process by ultrafiltration and vacuum evaporation. Journal of Hazardous Materials, 2011, 185(2-3): 1569–1574

18 Santo C E, Vilar V J P, Botelho C M S, Bhatnagar A, Kumar E, Boaventura R A R. Optimization of coagulation-flocculation and flotation parameters for the treatment of a petroleum refinery effluent from a Portuguese plant. Chemical Engineering Journal, 2012, 183: 117–123

19 Jagadevan S, Dobson P, Thompson I P. Harmonisation of chemical and biological process in development of a hybrid technology for treatment of recalcitrant metalworking fluid. Bioresource Technology, 2011, 102(19): 8783–8789

20 Matos M, Garcia C F, Suarez M A, Pazos C, Benito J M. Treatment of oil-in-water emulsions by a destabilization/ultrafiltration hybrid process: Statistical analysis of operating parameters. Journal of Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2015, 

21 Rodrigues Pires da Silva J, Merçon F, Firmino da Silva L, Cerqueira A A, Ximango P B, MarquesM R C. Evaluation of electrocoagulation as pre-treatment of oil emulsions, followed by reverse osmosis. Journal of Water Process Engineering, 2015, 8: 126–135

22 Kobya M, Demirbas E, Bayramoglu M, Sensoy M T. Optimization of electrocoagulation process for the treatment of metal cutting wastewaters with response surface methodology. Water, Air, and Soil Pollution, 2011, 215(1-4): 399–410

23 Jianzhong S, Xiuqing W, Xiaoyin W. Optimizing oily wastewater treatment via wet peroxide oxidation using response surface methodology. Journal of the Korean Chemical Society, 2014, 58(1): 80–84

24 Yeber M, Paul E, Soto C. Chemical and biological treatments to clean oily wastewater: Optimization of the photocatalytic process using experimental design. Desalination and Water Treatment, 2012, 47(1-3): 295–299

25 Ramin B, Behrooz M. Modeling and optimization of cross-flow ultrafiltration using hybrid neural network-genetic algorithm approach. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2014, 20(2): 528–543

26 Jing L, Chen B, Zhang B, Li P. Process simulation and dynamic control for marine oily wastewater treatment using UV irradiation. Water Research, 2015, 81: 101–112

27 Gallan B, Grossmann I E. Optimal design of real world industrial wastewater treatment networks. Computer-Aided Chemical Engineering, 2011, 29: 1251–1255

28 Sueviriyapan N, Siemanond K, Quaglia A, Gani R, Suriyapraphadilok U. The optimization-based design and synthesis of water network for water management in an industrial process: Refinery effluent treatment plant. Chemical Engineering Transactions, 2014, 39: 133–138

29 Government of the Republic of Slovenia, Decree on the emission of substances and heat in the discharge of wastewater into waters and public sewage system. Ljubljana: Official Gazette of the Republic of Slovenia, 2012, <Date>No. 64/2012</Date>

30 Rosenthal R E. GAMS—A user’s guide. Washington: GAMS Development Corporation, 2015