Zaplecze techniczne
W ostatnich latach niedobór wody i zanieczyszczenie stały się głównymi problemami nękającymi rozwój społeczeństwa ludzkiego. Kluczem do rozwiązania kryzysu wodnego jest wykorzystanie wydajnej technologii uzdatniania wody w celu uzyskania świeżej wody z wody morskiej i słonawej oraz recyklingu ścieków przemysłowych.
Jako wydajna technologia uzdatniania wody, technologia separacji membranowej charakteryzuje się wysoką wydajnością, ciągłą pracą i dużą sterowalnością i jest szeroko stosowana w dziedzinie odsalania wody morskiej i oczyszczania ścieków przemysłowych.
Jednakże technologie takie jak elektrodializa (elektrodializa) i odwrócona osmoza (RO) w technologii separacji membranowej nadal wiążą się z problemami, takimi jak niski stopień wykorzystania termicznego, wysokie zużycie energii, wysokie ciśnienie robocze i wtórne zanieczyszczenie. Dlatego też szerokie zainteresowanie wzbudziły nowe technologie separacji membranowej.
PRZEGLĄD
Technologia destylacji membranowej (MD) to niskotemperaturowa technologia termicznej separacji membranowej opracowana wraz z rozwojem odsalania membranowego metodą odwróconej osmozy. Jako nowy rodzaj technologii membran napędzanych ciepłem, ma ona dobre perspektywy zastosowania w dziedzinie oczyszczania ścieków przemysłowych ze względu na łagodne warunki pracy, wysoką wydajność produkcji wody, dobrą wydajność separacji i wykorzystanie przemysłowego ciepła odpadowego. Jednocześnie, w porównaniu z tradycyjnymi technologiami membranowymi napędzanymi ciśnieniem, takimi jak nanofiltracja i odwrócona osmoza, destylacja membranowa nie wymaga wysokiej jakości wody surowej. Oczyszczając ścieki o wysokim stężeniu i trudne do rozkładu, można uzyskać wysokiej jakości wodę wylotową, która znalazła zastosowanie w oczyszczaniu typowych ścieków przemysłowych.
ZASADA
Destylację membranową można po prostu uznać za połączenie technologii separacji membranowej i destylacji. Jest to proces separacji, w którym jako medium separacyjne wykorzystuje się hydrofobową mikroporowatą membranę, a jako siłę napędową wykorzystuje się różnicę ciśnień pary po obu stronach membrany. Jedna strona membrany ma bezpośredni kontakt z surową cieczą. W wyniku różnicy temperatur po obu stronach membrany na powierzchni porów hydrofobowej membrany tworzy się granica faz gaz-ciecz. Ciekła woda odparowuje, zamieniając się w parę i przechodzi przez pory membrany, skraplając się do wody destylowanej po drugiej stronie membrany. Substancje nielotne rozpuszczone w wodzie nie będą migrować z parą wodną, zapewniając w ten sposób separację, zagęszczenie i oczyszczenie cieczy zasilającej.
Istotą procesu destylacji membranowej jest proces wymiany ciepła i masy, przy czym w destylacji membranowej następuje równoczesne przenoszenie ciepła i masy.
Metoda przepływu gazu z dużą prędkością przez komorę w fazie gazowej w celu usunięcia pary nasyconej, a następnie skroplenia nazywa się destylacją membranową typu „gash-sweep”, a metoda ekstrakcji pary z komory w fazie gazowej poprzez próżnię i jej kondensację nazywa się próżnią destylacja membranowa;
Metoda bezpośredniego przepływu wody chłodzącej przez komorę w fazie gazowej w celu absorpcji pary nasyconej nazywa się destylacją membranową z bezpośrednim kontaktem;
Metoda wykorzystania wody chłodzącej przez wymienniki ciepła do natychmiastowej kondensacji pary nasyconej w komorze w fazie gazowej nazywa się destylacją membranową ze szczeliną powietrzną.
KLASYFIKOWAĆ
Podczas procesu destylacji membranowej jedna strona membrany ma bezpośredni kontakt z cieczą zasilającą, a drugą stronę można podzielić na cztery różne formy w zależności od różnych metod kondensacji (patrz rysunek 1): Destylacja membranowa z bezpośrednim kontaktem (DCMD) , destylacja membranowa ze szczeliną powietrzną (AGMD), destylacja membranowa z wymiataniem gazu (SGMD) i destylacja membranowa próżniowa (VMD).
Obie strony membrany DCMD stykają się odpowiednio z cieczą zasilającą i krążącą wodą chłodzącą. Różnica ciśnienia pary utworzona przez transmembranową różnicę temperatur napędza cały proces separacji membranowej, a przenikająca para wodna jest skraplana w krążącej wodzie chłodzącej.
AGMD jest podobny do DCMD, ale pomiędzy gorącą stroną membrany a krążącą wodą chłodzącą dodaje się płytę kondensacyjną, ze szczeliną powietrza chłodzącego pośrodku. Po przejściu pary wodnej przez membranę jest ona skraplana na płycie chłodzącej i zbierana.
SGMD bezpośrednio wykorzystuje suchy gaz do ciągłego oczyszczania strony permeacyjnej membrany destylacyjnej, a przenikająca para wodna jest usuwana z urządzenia do destylacji membranowej, skraplana i zbierana.
VMD wykorzystuje pompę próżniową do pompowania strony permeacyjnej w celu wytworzenia określonej próżni, a para wodna jest ekstrahowana i chłodzona po przejściu przez membranę.
KORZYŚĆ
(1) Proces destylacji membranowej przeprowadza się prawie pod normalnym ciśnieniem, przy użyciu prostego sprzętu i łatwej obsługi. Możliwe jest również wdrożenie w obszarach o słabej wytrzymałości technicznej;
(2) W procesie destylacji membranowej nielotnego wodnego roztworu substancji rozpuszczonej, ponieważ przez pory membrany może przechodzić tylko para wodna, destylat jest bardzo czysty, co ma stać się skutecznym sposobem przygotowania na dużą skalę i tanim kosztem ultraczystej wody;
(3) W procesie tym można przetwarzać roztwory wodne o bardzo wysokim stężeniu. Jeśli substancją rozpuszczoną jest substancja łatwa do krystalizacji, roztwór można zatężyć do stanu przesyconego i nastąpi krystalizacja poprzez destylację membranową. Jest to jedyny proces membranowy, który może bezpośrednio oddzielić krystaliczny produkt od roztworu;
(4) Składnik destylacji membranowej można łatwo zaprojektować do postaci odzysku ciepła utajonego i ma on elastyczność pozwalającą na utworzenie systemu produkcyjnego na dużą skalę z wydajnymi małymi składnikami membrany;
(5) W tym procesie nie ma potrzeby podgrzewania roztworu do temperatury wrzenia. Proces można prowadzić pod warunkiem odpowiedniego utrzymania różnicy temperatur pomiędzy obiema stronami membrany. Możliwe jest wykorzystanie taniej energii, takiej jak energia słoneczna, energia geotermalna, gorące źródła, ciepło odpadowe z zakładów produkcyjnych i ciepłe ścieki przemysłowe.
APLIKACJA
1. Ścieki petrochemiczne
Tradycyjny proces petrochemicznego oczyszczania ścieków – proces „starych trzech zestawów”, a mianowicie „oddzielanie oleju-koagulacja-filtracja” lub „oddzielanie oleju-flotacja-filtracja” jest trudny do spełnienia standardów ponownego wtrysku ścieków w zakresie jakości oczyszczonej wody. Obecnie do petrochemicznego oczyszczania ścieków stosuje się odwróconą osmozę (RO) i zaawansowany proces utleniania (AOP), ale RO charakteryzuje się wysokim zużyciem energii, wysokimi wymaganiami dotyczącymi jakości wody wpływającej i niskim współczynnikiem odzysku wody wyjściowej. Technologia AOP reprezentowana przez firmę Fenton wymaga dodatku środków chemicznych, co powoduje powstawanie dużej ilości osadu. W porównaniu z tradycyjną technologią odsalania, destylacja membranowa umożliwia oczyszczanie ścieków o TDS do 350,000 mg/l, może działać przy niższym ciśnieniu i lepiej dostosowuje się do ścieków petrochemicznych.
Pewne zastosowanie inżynieryjne pokazuje, że stopień odsalania DCMD w oczyszczaniu wysoce zmineralizowanych ścieków petrochemicznych wynosi aż 99% i może skutecznie usuwać inne zanieczyszczenia, takie jak węgiel organiczny. Destylacja membranowa wymaga jednak dużego zużycia energii i nie jest tak ekonomiczna jak RO. W porównaniu z technologiami membranowymi sterowanymi ciśnieniem (takimi jak RO), destylacja membranowa ma mniejszą tendencję do tworzenia kamienia, ale osadzanie się kamienia na membranie i zwilżanie membrany doprowadzą do zmniejszenia szybkości produkcji wody i jakości wody, szczególnie w warunkach wysokiego odzysku. Aby opóźnić zwilżanie membrany, membranę destylacyjną można modyfikować w celu poprawy jej właściwości przeciwporostowych i przeciwzwilżających.
2. Ścieki odsiarczające z elektrowni węglowych
Konwencjonalne metody oczyszczania ścieków odsiarczających obejmują metody fizyczne, chemiczne i biologiczne. Wśród nich często stosuje się metody chemiczne do usuwania SS i metali ciężkich, jednak gdy jakość wody i objętość wody ulegają dużym wahaniom, skuteczność usuwania tej metody nie jest wysoka, a Cl i F- nie można skutecznie usunąć. Gdy do usuwania wydzieleń SS i metali stosuje się flokulację, szybkość oddzielania jest mała, ponieważ wytrącenia metali mają często wielkość submikronową lub nanometrową. Do odsiarczania ścieków stosowano technologie membranowe, takie jak mikrofiltracja (MF) i ultrafiltracja (UF), ale oczyszczone ścieki nie mogą być bezpośrednio odprowadzane ani ponownie wykorzystywane ze względu na wysokie stężenie TDS. Destylacja membranowa nie wymaga wysokiej jakości wody wpływającej i może skutecznie oczyszczać ścieki o wysokim stężeniu zawierające sól. Coraz większą uwagę poświęca się go w dziedzinie oczyszczania ścieków odsiarczających.
Stosowanie technologii destylacji membranowej do oczyszczania ścieków odsiarczających umożliwia uzyskanie wysokiej jakości wody wyjściowej. Jednakże, ze względu na obecność w ściekach zanieczyszczeń o niskiej energii powierzchniowej, łatwo jest spowodować zwilżenie i zanieczyszczenie membrany, co doprowadzi do pogorszenia jakości wody odpływowej, skrócenia żywotności membrany i zwiększenia kosztów oczyszczania.
W ostatnich latach, w odpowiedzi na problemy zanieczyszczenia i zwilżania membran, szczególną uwagę poświęcono procesom kombinowanym. Badania wykazały, że łączenie destylacji membranowej z innymi procesami (takimi jak FO-MD) daje lepsze efekty uzdatniania niż technologia destylacji z pojedynczą membraną i może skutecznie spowolnić zanieczyszczenie i zwilżanie membrany oraz zwiększyć żywotność membrany. Badania wykazały, że połączenie magnetycznej koagulacji wapnem i destylacji membranowej w celu odsiarczania ścieków umożliwia uzyskanie wysokiej jakości wody wyjściowej, a membrana nie wykazuje zwilżania membrany podczas długotrwałej pracy.
3. Ścieki radioaktywne
Obecnie głównym procesem radioaktywnego oczyszczania ścieków w moim kraju jest flokulacja, wytrącanie-parowanie-wymiana jonowa, podczas której wytrącanie flokulacyjne i wymiana jonowa powodują powstanie dużej liczby wtórnych zanieczyszczeń, a zużycie energii przez stężenie parowania jest zbyt wysokie. Badania wykazały, że technologie membranowe sterowane ciśnieniem, takie jak RO, mogą skutecznie oddzielać substancje radioaktywne, ale skuteczność usuwania boru przez RO wynosi tylko 40% do 80%. Chociaż szybkość usuwania kwasu borowego można zwiększyć poprzez regulację pH, ze względu na buforujące działanie kwasu borowego, należy dodać dużą ilość alkaliów w celu dostosowania w celu zwiększenia zasolenia boru, zmniejszając w ten sposób wydajność wody RO.
Aby usunąć ze ścieków radioaktywne izotopy małych jonów, konieczne jest połączenie technologii membran ciśnieniowych z kompleksowaniem chemicznym. Kluczem jest regeneracja środka kompleksującego i wymagana jest dodatkowa filtracja. Kiedy destylacja membranowa oczyszcza ścieki radioaktywne, ciśnienie osmotyczne i polaryzacja stężenia mają niewielki wpływ na strumień membrany i mogą działać przy wysokim zasoleniu.
The results show that when membrane distillation is used for radioactive wastewater treatment, the retention rate of radionuclides in wastewater is as high as 99%. Boric acid is an expensive filler in controlled pressure reactors. The use of hybrid membrane processes such as NF-VMD can achieve boric acid purification and meet the reuse requirements (boric acid concentration>40 g/l). Ponadto rozpuszczalność kwasu borowego zmienia się znacząco wraz z temperaturą. Krystalizacja metodą destylacji membranowej (VMDC) może w pełni wykorzystać tę funkcję do zatężania kwasu borowego w ściekach.
Kontakt membrany destylacyjnej z substancjami radioaktywnymi może łatwo zniszczyć stabilność membrany, a nawet spowodować jej degradację. Dlatego membrana destylacyjna powinna mieć wystarczającą odporność na promieniowanie. Badania wykazały, że modyfikacja membrany poprzez fluorowanie może poprawić odporność membrany na promieniowanie.
4. Ścieki koksownicze
Ścieki koksownicze mają ostry zapach i zawierają dużą ilość toksycznych i trudnych do rozkładu substancji zanieczyszczających. Tradycyjne technologie oczyszczania obejmują głównie metody oczyszczania fizycznego i chemicznego, takie jak ekstrakcja rozpuszczalnikami związków fenolowych i odpędzanie amoniaku, a także metody biologiczne, takie jak metoda osadu czynnego. Jednak oczyszczone ścieki nadal zawierają dużą ilość soli i związków biodegradowalnych, takich jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne i związki heterocykliczne.
Po procesach obróbki wstępnej, takich jak usuwanie oleju i destylacja amoniaku, ścieki koksownicze mogą nadal utrzymywać temperaturę około 50 stopni, co zapewnia korzystne warunki dla destylacji membranowej w celu wykorzystania ciepła odpadowego przemysłowego do oczyszczania ścieków koksowniczych. W ostatnich latach zastosowanie technologii destylacji membranowej w oczyszczaniu ścieków koksowniczych stało się stopniowo gorącym obszarem badań. Wyniki badań pokazują, że destylacja membranowa charakteryzuje się wysoką skutecznością usuwania substancji nielotnych, a stopień usuwania substancji zanieczyszczających w ściekach przeważnie przekracza 98%.
Jednakże hydrofobowe zanieczyszczenia w ściekach, takie jak węglowodory aromatyczne i związki heterocykliczne, wykazują silne powinowactwo do membran hydrofobowych, co może łatwo prowadzić do zwilżania membran i ich zanieczyszczania. Właściwości przeciwporostowe i przeciwzwilżające membrany można poprawić poprzez wstępne oczyszczanie ścieków lub modyfikację membrany.
5. Ścieki farmaceutyczne
W technologii membranowej RO ma dobry wpływ na oczyszczanie ścieków farmaceutycznych, ale zużycie energii jest wysokie, a RO ma słabe działanie na oczyszczanie niskocząsteczkowych związków obojętnych, takich jak N-nitrozodimetyloamina (NDMA). W ostatnich latach do oczyszczania ścieków farmaceutycznych stopniowo wprowadza się technologię destylacji membranowej. W literaturze do oczyszczania ścieków farmaceutycznych stosuje się destylację membranową, a stopień usuwania ze ścieków leków, takich jak antybiotyki i związki fenolowe, może sięgać nawet 99%. Jednakże substancje hydrofobowe w ściekach łatwo osadzają się na powierzchni membrany, zmniejszając przepływ membrany. Wstępne oczyszczanie ścieków, takie jak flokulacja i wytrącanie, w połączeniu z destylacją membranową, może skutecznie złagodzić osadzanie się kamienia na membranie i poprawić szybkość usuwania leków ze ścieków farmaceutycznych. Ponadto połączenie innych procesów z destylacją membranową (takich jak proces sprzęgania MBR-MD) może skutecznie usuwać leki śladowe ze ścieków.
PERSPEKTYWA
Technologia destylacji membranowej rozwinęła się szybko w ostatnich latach i zaczęto ją stosować do oczyszczania typowych ścieków przemysłowych, takich jak ścieki petrochemiczne, ścieki z odsiarczania i ścieki koksownicze, ale wiąże się z wieloma problemami, takimi jak niski stopień wykorzystania ciepła, wysoki koszt membrany, zanieczyszczenie membrany i zwilżanie.
Konieczne są dalsze badania w następujących aspektach:
① Zmniejszyć zużycie energii przez system destylacji membranowej, poprawić efektywność wykorzystania ciepła i kontynuować badania nad energią słoneczną, geotermią i innymi technologiami sprzęgania z destylacją membranową;
② Opracuj nowe materiały membranowe, projektuj zróżnicowane komponenty membran i poprawiaj przepływ membran;
③ Jeśli chodzi o mechanizm powstawania zanieczyszczeń i środki zapobiegawcze w postaci kamienia membranowego, można szczegółowo omówić wpływ właściwości zanieczyszczeń, właściwości membrany, środowiska pracy i właściwości materiału na mechanizm tworzenia się zanieczyszczeń;
④ Obecnie prowadzi się niewiele badań dotyczących oceny cyklu życia destylacji membranowej.
Dlatego też przeprowadzenie oceny cyklu życia systemu destylacji membranowej jest także jednym z przyszłych kierunków badań.