Techninis pagrindas
Pastaraisiais metais vandens trūkumas ir tarša buvo pagrindinės problemos, kenkiančios žmonių visuomenės raidai. Kaip naudoti efektyvias vandens valymo technologijas gėlam vandeniui gauti iš jūros ir sūraus vandens bei perdirbti pramonines nuotekas – tai vandens krizės sprendimo raktas.
Kaip efektyvi vandens valymo technologija, membranos atskyrimo technologija pasižymi dideliu efektyvumu, nuolatiniu veikimu ir stipriu valdomumu, plačiai naudojama jūros vandens gėlinimo ir pramoninių nuotekų valymo srityse.
Tačiau tokios technologijos kaip elektrodializė (elektrodializė) ir atvirkštinis osmozė (RO) membranų atskyrimo technologijoje vis dar turi problemų, tokių kaip mažas šilumos panaudojimo greitis, didelis energijos suvartojimas, didelis darbinis slėgis ir antrinė tarša. Todėl naujos membranų atskyrimo technologijos sulaukė didelio dėmesio.
APŽVALGA
Membranos distiliavimo technologija (MD) yra žemos temperatūros šiluminės membranos atskyrimo technologija, sukurta kuriant atvirkštinės osmoso membranos gėlinimą. Kaip naujos rūšies šilumos varoma membranos technologija, ji turi geras pritaikymo perspektyvas pramoninių nuotekų valymo srityje dėl jo lengvų darbo sąlygų, aukšto vandens gamybos greičio, gero atskyrimo efektyvumo ir pramoninės atliekų šilumos naudojimo. Tuo pačiu metu, palyginti su tradicinėmis slėgio membranos technologijomis, tokiomis kaip nanofiltracija ir atvirkštinė osmozė, membranos distiliavimui nereikia aukštos kokybės neapdoroto vandens. Gydant aukštos koncentracijos ir sunkiai pažeistos nuotekos, galima gauti aukštos kokybės išėjimo vandenį, jis buvo naudojamas tipinėms pramoninėms nuotekoms gydyti.
PRINCIPAS
Membraninis distiliavimas gali būti tiesiog laikomas membraninio atskyrimo ir distiliavimo technologijos deriniu. Tai atskyrimo procesas, kurio metu kaip atskyrimo terpė naudojama hidrofobinė mikroporinė membrana ir naudojamas garų slėgio skirtumas abiejose membranos pusėse kaip varomoji jėga. Viena membranos pusė tiesiogiai liečiasi su žaliaviniu skysčiu. Dėl temperatūros skirtumo abiejose membranos pusėse hidrofobinės membranos porų paviršiuje susidaro dujų ir skysčio sąsaja. Skystas vanduo išgaruoja į garus ir praeina pro membranos poras, kitoje membranos pusėje kondensuodamasis į distiliuotą vandenį. Vandenyje ištirpusios nelakios medžiagos nemigruoja su vandens garais, todėl bus atskiriamas, koncentruojamas ir išvalomas pašaro skystis.
Membraninio distiliavimo proceso esmė yra šilumos perdavimo ir masės perdavimo procesas, o membraninio distiliavimo metu šilumos perdavimas ir masės perdavimas vyksta vienu metu.
Didelio greičio dujų tekėjimo per dujinės fazės kamerą būdas pašalinti prisotintus garus ir tada kondensuotis vadinamas dujų valymo membraniniu distiliavimu, o garų ištraukimo iš dujų fazės kameros per vakuumą ir kondensavimo metodas vadinamas vakuumu. membraninis distiliavimas;
Tiesioginio aušinimo vandens tekėjimo per garų fazės kamerą būdas prisotintam garui sugerti vadinamas tiesioginio kontakto membraniniu distiliavimu;
Aušinimo vandens naudojimo per šilumokaičius metodas, kad būtų galima iškart kondensuoti prisotintą garų garų fazės kameroje, vadinama oro tarpo membranos distiliavimu.
Klasifikuoti
Membraninio distiliavimo proceso metu viena membranos pusė tiesiogiai liečiasi su tiekimo skysčiu, o kitą pusę galima suskirstyti į keturias skirtingas formas pagal skirtingus kondensacijos metodus (žr. 1 pav.): tiesioginio kontakto membraninis distiliavimas (DCMD) , oro tarpo membraninis distiliavimas (AGMD), dujų valymo membraninis distiliavimas (SGMD) ir vakuuminis membraninis distiliavimas (VMD).
Abi DCMD membranos pusės liečiasi atitinkamai su pašaro skysčiu ir cirkuliuojančiu aušinimo vandeniu. Garų slėgio skirtumas, kurį sudaro transmembranos temperatūros skirtumas, skatina visą membranos atskyrimo procesą, o persmelktas vandens garai yra kondensuojami cirkuliuojančiame aušinimo vandenyje.
AGMD yra panašus į DCMD, tačiau tarp karštosios membranos pusės ir cirkuliuojančio aušinimo vandens pridedama kondensacijos plokštė, kurios viduryje yra aušinimo oro tarpas. Po to, kai vandens garai praeina per membraną, jie kondensuojami ant aušinimo plokštės ir surenkami.
SGMD tiesiogiai naudoja sausas dujas, kad nuolat išvalytų distiliavimo membranos prasiskverbimo pusę, o persmelkti vandens garai išimami iš membranos distiliavimo įtaiso ir kondensuojami bei surinkti.
VMD naudoja vakuuminį siurblį, kad siurbtų prasiskverbimo pusę, kad susidarytų tam tikras vakuumas, o vandens garai išgaunami ir atvėsinami praeinant per membraną.
Pranašumas
(1) Membraninis distiliavimo procesas atliekamas beveik esant normaliam slėgiui, naudojant paprastą įrangą ir paprastą valdymą. Taip pat galima įgyvendinti silpno techninio stiprumo srityse;
(2) Nelakaus tirpaus vandeninio tirpalo membraninio distiliavimo procese, nes per membranos poras gali prasiskverbti tik vandens garai, distiliatas yra labai grynas, todėl tikimasi, kad tai taps veiksminga didelio masto ir nebrangaus paruošimo priemone. itin gryno vandens;
(3) Šis procesas gali gydyti ypač didelius koncentracijos vandeninius tirpalus. Jei tirpalas yra medžiaga, kurią lengva kristalizuoti, tirpalas gali būti sukoncentruotas į per daug prisotintą būseną ir įvyks membranos distiliavimo kristalizacija. Tai yra vienintelis membranos procesas, kuris gali tiesiogiai atskirti kristalinį produktą nuo tirpalo;
(4) distiliavimo membraną komponentas gali būti lengvai suprojektuotas į latentinę šilumos atkūrimo formą ir turi lankstumą sudaryti didelio masto gamybos sistemą su efektyviais mažomis membranos komponentais;
(5) Šiame procese nereikia šildyti tirpalo iki virimo taško. Kol temperatūros skirtumas tarp abiejų membranos pusių yra tinkamai palaikomas, procesą galima atlikti. Galima naudoti pigią energiją, tokią kaip saulės energija, geoterminė energija, karštos spyruoklės, gamyklos atliekų šiluma ir šiltos pramoninės nuotekos.
Paraiška
1. Naftos chemijos nuotekos
Tradicinis naftos chemijos nuotekų valymo procesas – „senasis trijų rinkinių“ procesas, būtent „naftos atskyrimas-koaguliacija-filtravimas“ arba „naftos atskyrimas-flotacija-filtravimas“ – sunkiai atitinka išvalyto vandens kokybės nuotekų pakartotinio įpurškimo standartą. Šiuo metu naftos chemijos nuotekų valymui naudojamas atvirkštinis osmosas (RO) ir pažangus oksidacijos procesas (AOP), tačiau RO suvartoja daug energijos, kelia aukštus reikalavimus įtekančio vandens kokybei ir mažą vandens atgavimo greitį. Fenton atstovaujamai AOP technologijai reikia pridėti chemikalų, todėl susidaro didelis kiekis dumblo. Palyginti su tradicine gėlinimo technologija, membraninis distiliavimas gali išvalyti nuotekas, kurių TDS yra iki 350,000 mg/L, gali veikti esant mažesniam slėgiui ir geriau prisitaikyti prie naftos chemijos nuotekų.
Tam tikra inžinerinė programa rodo, kad DCMD gėlinimo greitis valant labai mineralizuotas naftos chemijos nuotekas yra net 99%, ir jis gali veiksmingai pašalinti kitus teršalus, tokius kaip organinė anglis. Tačiau membraninis distiliavimas sunaudoja daug energijos ir nėra toks ekonomiškas kaip RO. Palyginti su slėgiu valdomomis membraninėmis technologijomis (pvz., RO), membraninis distiliavimas turi mažesnį mastelio susidarymo polinkį, tačiau dėl membranos mastelio ir membranos drėkinimo sumažės vandens gamybos greitis ir vandens kokybė, ypač esant didelėms regeneravimo sąlygoms. Siekiant atitolinti membranos drėkinimą, distiliavimo membraną galima modifikuoti, kad būtų pagerintos membranos apsaugos nuo užsiteršimo ir drėkinimo savybės.
2. Desulfuracijos nuotekos iš anglimi kūrenamų elektrinių
Įprasti nuotekų desulfuravimo metodai apima fizikinius, cheminius ir biologinius metodus. Tarp jų SS ir sunkiųjų metalų šalinimui dažnai naudojami cheminiai metodai, tačiau labai svyruojant vandens kokybei ir vandens kiekiui šio metodo šalinimo efektyvumas nėra didelis, o Cl ir F- efektyviai pašalinti nepavyksta. Kai SS ir metalo nuosėdoms pašalinti naudojama flokuliacija, atskyrimo greitis yra lėtas, nes metalo nuosėdos dažnai būna submikronų arba nanometrų dydžio. Membraninės technologijos, tokios kaip mikrofiltravimas (MF) ir ultrafiltravimas (UF), buvo naudojamos nuotekų desulfuracijai valyti, tačiau išvalytų nuotekų negalima tiesiogiai išleisti ar pakartotinai panaudoti dėl didelės TDS koncentracijos. Membraninis distiliavimas nereikalauja aukštos kokybės įtekančio vandens ir gali efektyviai išvalyti didelės koncentracijos druskos turinčias nuotekas. Jai skiriama vis daugiau dėmesio nuotekų desulfuravimo srityje.
Naudojant membraninio distiliavimo technologiją desulfuravimo nuotekoms valyti, galima gauti aukštos kokybės išeinantį vandenį. Tačiau dėl mažos paviršiaus energijos teršalų buvimo nuotekose nesunku sukelti membranos drėkinimą ir užteršimą, dėl ko pablogės nuotekų vandens kokybė, sutrumpės membranos tarnavimo laikas ir padidės valymo sąnaudos.
Pastaraisiais metais, reaguojant į membranos užteršimo ir membranos drėkinimo problemas, kombinuoti procesai buvo skirti ypatingo dėmesio. Tyrimai parodė, kad membranos distiliavimo sujungimas su kitais procesais (pvz., FO-MD) turi geresnį apdorojimo poveikį nei vienos membranos distiliavimo technologija ir gali veiksmingai sulėtinti membranos užteršimą ir drėkinimą bei padidinti membranos tarnavimo laiką. Tyrimai parodė, kad derinant kalkių magnetinį koaguliaciją ir membraninį distiliavimą nuotekų desulfuracijai valyti, galima gauti aukštos kokybės išeinantį vandenį, o membrana nesudrėksta ilgai veikiant.
3. Radioaktyvios nuotekos
Šiuo metu pagrindinis radioaktyviųjų nuotekų valymo procesas mano šalyje yra flokuliacijos kritulių-eigos jonų mainai, kuriuose flokuliacijos krituliai ir jonų mainai sukels daugybę antrinių teršalų, o energijos suvartojimas išgarinimo koncentracijos suvartojimas yra per didelis. Tyrimai parodė, kad tokios slėgio membranos technologijos, kaip RO, gali efektyviai atskirti radioaktyvias medžiagas, tačiau boro RO pašalinimo efektyvumas yra tik 40–80%. Nors boro rūgšties pašalinimo greitį galima padidinti sureguliuojant pH, nes buferinė boro rūgšties poveikis, norint padidinti borono druskingumą, reikia pridėti didelį kiekį šarminio kiekio, taip sumažinant RO vandens išėjimą.
Norint iš nuotekų pašalinti mažųjų jonų radioaktyviuosius izotopus, būtina derinti slėgio varomų membranų technologiją su cheminiu kompleksavimu. Svarbiausia yra regeneruoti kompleksą sudarončią medžiagą, todėl reikalingas papildomas filtravimas. Kai membraninis distiliavimas apdoroja radioaktyviąsias nuotekas, osmosinis slėgis ir koncentracijos poliarizacija turi mažai įtakos membranos srautui ir gali veikti esant dideliam druskingumui.
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). Be to, boro rūgšties tirpumas labai keičiasi atsižvelgiant į temperatūrą. Membranos distiliavimo kristalizacija (VMDC) gali visiškai išnaudoti šią savybę, kad būtų galima sutelkti boro rūgštį nuotekose.
Distiliavimo membranos ir radioaktyviųjų medžiagų kontaktas gali lengvai sugadinti membranos stabilumą ir netgi sukelti membranos degradaciją. Todėl distiliavimo membrana turi būti pakankamai atspari spinduliuotei. Tyrimai parodė, kad membranos modifikavimas fluoruojant gali pagerinti membranos atsparumą spinduliuotei.
4. Koksavimo nuotekos
Kepimo nuotekos turi aštrų kvapą ir joje yra daugybė toksiškų ir sunkiai pažangių teršalų. Tradicinės gydymo technologijos daugiausia apima fizinį ir cheminį gydymo metodus, tokius kaip fenolio junginių ekstrahavimas tirpiklyje ir amoniako nurišimas, taip pat biologinio gydymo metodai, tokie kaip aktyvuoto dumblo metodas. Tačiau apdorotose nuotekose vis dar yra daug druskos ir biologiškai skaidžių junginių, tokių kaip policikliniai aromatiniai angliavandeniliai ir heterocikliniai junginiai.
Po išankstinio apdorojimo procesų, tokių kaip alyvos pašalinimas ir amoniako distiliavimas, koksavimo nuotekų temperatūra vis dar gali palaikyti apie 50 laipsnių, o tai sudaro palankias sąlygas membraniniam distiliavimui, kad koksavimo nuotekoms apdoroti būtų naudojama pramoninė atliekų šiluma. Pastaraisiais metais membraninio distiliavimo technologijos taikymas koksavimo nuotekų valymui palaipsniui tapo mokslinių tyrimų tašku. Tyrimų rezultatai rodo, kad membraninis distiliavimas pasižymi dideliu nelakiųjų medžiagų šalinimo efektyvumu, o teršalų pašalinimo greitis nuotekose dažniausiai viršija 98%.
Tačiau nuotekose esantys hidrofobiniai teršalai, tokie kaip aromatiniai angliavandeniliai ir heterocikliniai junginiai, turi stiprų giminingumą hidrofobinėms membranoms, todėl membrana gali lengvai sudrėkti ir užsiteršti. Membranos apsaugos nuo užsiteršimo ir drėkinimo savybes galima pagerinti iš anksto apvalant nuotekas arba modifikuojant membraną.
5. Farmacinės nuotekos
Membranų technologijoje RO turi gerą farmacinių nuotekų valymo poveikį, tačiau energijos suvartojimas yra didelis, o RO blogai valo mažos molekulinės masės neutralius junginius, tokius kaip N-nitrozodimetilaminas (NDMA). Pastaraisiais metais farmacinių nuotekų valymui palaipsniui pradėta taikyti membraninio distiliavimo technologija. Literatūroje membraninis distiliavimas naudojamas farmacinių nuotekų valymui, o vaistų, tokių kaip antibiotikai ir fenolio junginiai, pašalinimo greitis nuotekose gali siekti net 99%. Tačiau nuotekose esančios hidrofobinės medžiagos lengvai nusėda ant membranos paviršiaus, todėl sumažėja membranos srautas. Išankstinis nuotekų valymas, pvz., flokuliacija ir nusodinimas, kartu su membraniniu distiliavimu, gali veiksmingai sumažinti membranos pleiskanojimą ir pagerinti vaistų pašalinimo greitį farmacinėse nuotekose. Be to, derinant kitus procesus su membraniniu distiliavimu (pvz., MBR-MD sujungimo procesas), galima veiksmingai pašalinti vaistų pėdsakus iš nuotekų.
Perspektyva
Pastaraisiais metais sparčiai vystėsi membranos distiliavimo technologija ir ji buvo pradėta naudoti tipiniams pramoninėms nuotekoms, tokioms kaip naftos chemijos nuotekos, nuotekų desulfurizacijos nuotekos ir nuotekos, tačiau susiduria Drėkinimas.
Reikia atlikti tolesnius tyrimus šiais aspektais:
① Sumažinti membraninio distiliavimo sistemos energijos sąnaudas, pagerinti šilumos panaudojimo efektyvumą ir toliau vykdyti saulės energijos, geoterminės ir kitų sujungimo su membraniniu distiliavimu technologijų tyrimus;
② Kurti naujas membranines medžiagas, suprojektuoti įvairius membranos komponentus ir pagerinti membranos srautą;
③ Formavimo mechanizmui ir prevenciniams membranos mastelio matavimui galima giliai aptariant užsiteršimo charakteristikų, membranos charakteristikų, operacinės aplinkos ir medžiagų charakteristikų įtaką;
④ Šiuo metu yra mažai tyrimų apie membraninio distiliavimo gyvavimo ciklo vertinimą.
Todėl membranos distiliavimo sistemos gyvenimo ciklo įvertinimas taip pat yra viena iš ateities tyrimų krypčių.