Technické zázemie
Nedostatok vody a znečistenie sú v posledných rokoch hlavnými problémami, ktoré sužujú rozvoj ľudskej spoločnosti. Ako používať efektívnu technológiu úpravy vody na získavanie sladkej vody z morskej a brakickej vody a na recykláciu priemyselných odpadových vôd je kľúčom k riešeniu vodnej krízy.
Ako účinná technológia úpravy vody má technológia membránovej separácie vlastnosti vysokej účinnosti, nepretržitej prevádzky a silnej ovládateľnosti a je široko používaná v oblasti odsoľovania morskej vody a čistenia priemyselných odpadových vôd.
Technológie ako elektrodialýza (elektrodialýza) a reverzná osmóza (RO) v technológii membránovej separácie však stále majú problémy, ako je nízka miera tepelného využitia, vysoká spotreba energie, vysoký pracovný tlak a sekundárne znečistenie. Preto sa novým technológiám membránovej separácie venuje široká pozornosť.
PREHĽAD
Membránová destilačná technológia (MD) je technológia nízkoteplotnej tepelnej membránovej separácie vyvinutá s vývojom odsoľovania membrán s reverznou osmózou. Ako nový typ tepelne poháňanej membránovej technológie má dobré vyhliadky na uplatnenie v oblasti čistenia priemyselných odpadových vôd vďaka miernym prevádzkovým podmienkam, vysokej rýchlosti produkcie vody, dobrému separačnému výkonu a využívaniu priemyselného odpadového tepla. Zároveň v porovnaní s tradičnými tlakovo poháňanými membránovými technológiami, ako je nanofiltrácia a reverzná osmóza, membránová destilácia nevyžaduje vysokú kvalitu surovej vody. Pri čistení vysokokoncentrovaných a ťažko rozložiteľných odpadových vôd je možné získať kvalitnú výstupnú vodu, ktorá sa používa na čistenie typických priemyselných odpadových vôd.
PRINCÍP
Membránovú destiláciu možno jednoducho považovať za kombináciu technológie membránovej separácie a destilácie. Ide o separačný proces, ktorý využíva ako separačné médium hydrofóbnu mikroporéznu membránu a ako hnaciu silu využíva rozdiel tlaku pár na oboch stranách membrány. Jedna strana membrány je v priamom kontakte so surovou kvapalinou. Teplotným rozdielom na oboch stranách membrány sa na povrchu pórov hydrofóbnej membrány vytvorí rozhranie plyn-kvapalina. Kvapalná voda sa vyparuje na paru a prechádza cez póry membrány a kondenzuje na destilovanú vodu na druhej strane membrány. Neprchavé látky rozpustené vo vode nebudú migrovať s vodnou parou, čím sa dosiahne separácia, koncentrácia a čistenie vstupnej kvapaliny.
Podstatou procesu membránovej destilácie je proces prenosu tepla a prenosu hmoty a pri membránovej destilácii dochádza k prenosu tepla a prenosu hmoty súčasne.
Metóda vysokorýchlostného prúdenia plynu cez komoru v plynnej fáze na odvádzanie nasýtenej pary a následná kondenzácia sa nazýva plynová membránová destilácia a metóda extrakcie pary z komory s plynnou fázou cez vákuum a jej kondenzácia sa nazýva vákuum. membránová destilácia;
Metóda priameho prúdenia chladiacej vody cez komoru parnej fázy na absorpciu nasýtenej pary sa nazýva membránová destilácia s priamym kontaktom;
Spôsob použitia chladiacej vody cez výmenníky tepla na okamžitú kondenzáciu nasýtenej pary v komore v parnej fáze sa nazýva membránová destilácia so vzduchovou medzerou.
KLASIFIKOVAŤ
Počas procesu membránovej destilácie je jedna strana membrány v priamom kontakte s privádzanou kvapalinou a druhá strana môže byť rozdelená do štyroch rôznych foriem podľa rôznych kondenzačných metód (pozri obrázok 1): membránová destilácia s priamym kontaktom (DCMD) membránová destilácia so vzduchovou medzerou (AGMD), plynová membránová destilácia (SGMD) a vákuová membránová destilácia (VMD).
Dve strany membrány DCMD sú v kontakte s napájacou kvapalinou a cirkulujúcou chladiacou vodou. Rozdiel tlaku pary vytvorený transmembránovým teplotným rozdielom poháňa celý proces membránovej separácie a prenikajúca vodná para kondenzuje v cirkulujúcej chladiacej vode.
AGMD je podobný DCMD, ale medzi horúcu stranu membrány a cirkulujúcu chladiacu vodu je pridaná kondenzačná doska s chladiacou vzduchovou medzerou v strede. Po prechode vodnej pary cez membránu kondenzuje na chladiacej doske a zachytáva sa.
SGMD priamo používa suchý plyn na nepretržité preplachovanie permeačnej strany destilačnej membrány a permeovaná vodná para sa odvádza z membránového destilačného zariadenia a kondenzuje a zbiera.
VMD používa vákuovú pumpu na pumpovanie permeačnej strany na vytvorenie určitého vákua a vodná para sa po prechode cez membránu extrahuje a ochladí.
VÝHODA
(1) Proces membránovej destilácie sa vykonáva takmer pri normálnom tlaku, s jednoduchým zariadením a jednoduchou obsluhou. Je tiež možné realizovať v oblastiach so slabou technickou silou;
(2) V procese membránovej destilácie neprchavého vodného roztoku rozpustenej látky, pretože cez membránové póry môže prechádzať iba vodná para, je destilát veľmi čistý, od čoho sa očakáva, že sa stane účinným prostriedkom na prípravu vo veľkom meradle a s nízkymi nákladmi. ultračistej vody;
(3) Tento proces môže spracovať extrémne vysoké koncentrácie vodných roztokov. Ak je rozpustenou látkou látka, ktorá ľahko kryštalizuje, roztok sa môže skoncentrovať do presýteného stavu a dôjde ku kryštalizácii membránovou destiláciou. Je to jediný membránový proces, ktorý dokáže priamo oddeliť kryštalický produkt od roztoku;
(4) Membránová destilačná zložka môže byť ľahko navrhnutá do formy spätného získavania latentného tepla a má flexibilitu na vytvorenie rozsiahleho výrobného systému s účinnými malými membránovými komponentmi;
(5) Pri tomto procese nie je potrebné zahrievať roztok na bod varu. Pokiaľ je teplotný rozdiel medzi dvoma stranami membrány udržiavaný primerane, proces sa môže uskutočniť. Je možné využiť lacnú energiu, ako je solárna energia, geotermálna energia, horúce pramene, odpadové teplo továrne a teplá priemyselná odpadová voda.
APLIKÁCIA
1. Petrochemické odpadové vody
Tradičný petrochemický proces čistenia odpadových vôd – proces „starých troch sád“, konkrétne „separácia oleja – koagulácia – filtrácia“ alebo „separácia oleja – flotácia – filtrácia“, je ťažké splniť normu spätného vstrekovania odpadových vôd pre kvalitu upravenej vody. V súčasnosti sa na petrochemické čistenie odpadových vôd používa reverzná osmóza (RO) a pokročilý oxidačný proces (AOP), ale RO má vysokú spotrebu energie, vysoké požiadavky na kvalitu privádzanej vody a nízku mieru zhodnocovania výstupnej vody. Technológia AOP reprezentovaná Fentonom vyžaduje pridávanie chemikálií, čím vzniká veľké množstvo kalu. V porovnaní s tradičnou technológiou odsoľovania môže membránová destilácia čistiť odpadovú vodu s TDS až 350,000 mg/l, môže fungovať pri nižšom tlaku a má lepšiu adaptabilitu na petrochemickú odpadovú vodu.
Určité inžinierske použitie ukazuje, že miera odsoľovania DCMD pri čistení vysoko mineralizovaných petrochemických odpadových vôd je až 99% a môže účinne odstrániť iné znečisťujúce látky, ako je organický uhlík. Membránová destilácia má však vysokú spotrebu energie a nie je taká ekonomická ako RO. V porovnaní s tlakovo poháňanými membránovými technológiami (ako je RO) má membránová destilácia menšiu tendenciu k tvorbe vodného kameňa, ale usadzovanie membrány a zvlhčovanie membrány povedie k zníženiu rýchlosti produkcie vody a kvality vody, najmä za podmienok vysokej regenerácie. Aby sa oddialilo zvlhčenie membrány, destilačná membrána môže byť modifikovaná tak, aby sa zlepšili vlastnosti membrány proti znečisteniu a navlhčeniu.
2. Odsírenie odpadových vôd z uhoľných elektrární
Bežné spôsoby čistenia odpadových vôd odsírovania zahŕňajú fyzikálne, chemické a biologické spôsoby. Medzi nimi sa na odstraňovanie SS a ťažkých kovov často používajú chemické metódy, ale keď kvalita vody a objem vody výrazne kolíšu, účinnosť odstraňovania tejto metódy nie je vysoká a Cl a F- nemožno účinne odstrániť. Keď sa na odstránenie SS a kovových precipitátov používa flokulácia, rýchlosť separácie je pomalá, pretože kovové precipitáty majú často submikrónovú alebo nanometrovú veľkosť. Membránové technológie ako mikrofiltrácia (MF) a ultrafiltrácia (UF) sa používajú na čistenie odpadových vôd z odsírenia, ale vyčistenú odpadovú vodu nie je možné priamo vypúšťať alebo opätovne použiť kvôli vysokej koncentrácii TDS. Membránová destilácia nevyžaduje vysokú kvalitu pritekajúcej vody a môže účinne čistiť odpadové vody s vysokou koncentráciou soli. Venuje sa mu čoraz väčšia pozornosť v oblasti odsírenia čistenia odpadových vôd.
Použitím technológie membránovej destilácie na čistenie odpadových vôd z odsírenia je možné získať vysokokvalitnú výstupnú vodu. Avšak v dôsledku prítomnosti znečisťujúcich látok s nízkou povrchovou energiou v odpadovej vode je ľahké spôsobiť navlhčenie a kontamináciu membrány, čo povedie k zhoršeniu kvality odpadovej vody, skráti životnosť membrány a zvýši náklady na čistenie.
V posledných rokoch sa v reakcii na problémy s kontamináciou membrán a zmáčaním membrán venovala osobitná pozornosť kombinovaným procesom. Štúdie zistili, že spojenie membránovej destilácie s inými procesmi (ako je FO-MD) má lepšie liečebné účinky ako technológia jednomembránovej destilácie a môže účinne spomaliť kontamináciu a zvlhčenie membrány a zvýšiť životnosť membrány. Štúdie ukázali, že kombináciou magnetickej koagulácie vápna a membránovej destilácie na odsírenie čistenia odpadových vôd je možné získať vysokokvalitnú výstupnú vodu a membrána pri dlhodobej prevádzke nevykazuje zmáčanie membrány.
3. Rádioaktívne odpadové vody
V súčasnosti je hlavným procesom čistenia rádioaktívnych odpadových vôd v mojej krajine flokulácia zrážanie-odparovanie-iónová výmena, pri ktorej flokulačné zrážanie a iónová výmena produkujú veľké množstvo sekundárnych znečisťujúcich látok a spotreba energie pri odparovaní je príliš vysoká. Štúdie ukázali, že membránové technológie poháňané tlakom, ako je RO, dokážu účinne oddeliť rádioaktívne látky, ale účinnosť odstraňovania RO pre bór je len 40 % až 80 %. Aj keď rýchlosť odstraňovania kyseliny boritej možno zvýšiť úpravou pH, v dôsledku tlmiaceho účinku kyseliny boritej je potrebné pridať veľké množstvo alkálie na úpravu, aby sa zvýšila slanosť bóru, čím sa zníži výstup vody z RO.
Na odstránenie malých iónových rádioaktívnych izotopov v odpadových vodách je potrebné skombinovať tlakovo poháňanú membránovú technológiu s chemickou komplexáciou. Kľúč spočíva v regenerácii komplexotvorného činidla a je potrebná dodatočná filtrácia. Keď membránová destilácia spracováva rádioaktívnu odpadovú vodu, osmotický tlak a polarizácia koncentrácie majú malý vplyv na tok membrány a môže fungovať pri vysokej slanosti.
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). Okrem toho sa rozpustnosť kyseliny boritej výrazne mení s teplotou. Membránová destilačná kryštalizácia (VMDC) môže plne využiť túto funkciu na koncentrovanie kyseliny boritej v odpadovej vode.
Kontakt medzi destilačnou membránou a rádioaktívnymi látkami môže ľahko zničiť stabilitu membrány a dokonca spôsobiť jej degradáciu. Preto by mala mať destilačná membrána dostatočnú odolnosť voči žiareniu. Štúdie ukázali, že modifikácia membrány fluoráciou môže zlepšiť odolnosť membrány voči žiareniu.
4. Odpadová voda z koksovania
Odpadová voda z koksovania má štipľavý zápach a obsahuje veľké množstvo toxických a ťažko odbúrateľných škodlivín. Tradičné technológie úpravy zahŕňajú najmä fyzikálne a chemické metódy úpravy, ako je extrakcia fenolových zlúčenín rozpúšťadlom a stripovanie amoniaku, ako aj metódy biologického spracovania, ako napríklad metóda aktivovaného kalu. Vyčistená odpadová voda však stále obsahuje veľké množstvo solí a biologicky odbúrateľných zlúčenín, ako sú polycyklické aromatické uhľovodíky a heterocyklické zlúčeniny.
Po procesoch predúpravy, ako je odstraňovanie oleja a destilácia amoniaku, môže odpadová voda z koksovania stále udržiavať teplotu okolo 50 stupňov, čo poskytuje priaznivé podmienky pre membránovú destiláciu na využitie priemyselného odpadového tepla na úpravu odpadovej vody z koksovania. V posledných rokoch sa aplikácia technológie membránovej destilácie na čistenie odpadových vôd z koksovania postupne stala stredobodom výskumu. Výsledky výskumu ukazujú, že membránová destilácia má vysokú účinnosť odstraňovania neprchavých látok a miera odstraňovania znečisťujúcich látok v odpadových vodách je väčšinou nad 98 %.
Avšak hydrofóbne znečisťujúce látky v odpadových vodách, ako sú aromatické uhľovodíky a heterocyklické zlúčeniny, vykazujú silnú afinitu k hydrofóbnym membránam, čo môže ľahko viesť k zmáčaniu membrán a zanášaniu membrán. Vlastnosti membrány proti zanášaniu a zmáčaniu možno zlepšiť predbežnou úpravou odpadovej vody alebo úpravou membrány.
5. Farmaceutické odpadové vody
V membránovej technológii má RO dobrý čistiaci účinok na farmaceutickú odpadovú vodu, ale spotreba energie je vysoká a RO má slabý čistiaci účinok na nízkomolekulárne neutrálne zlúčeniny, ako je N-nitrózodimetylamín (NDMA). V posledných rokoch sa na čistenie farmaceutických odpadových vôd postupne začala používať technológia membránovej destilácie. V literatúre sa membránová destilácia používa na farmaceutické čistenie odpadových vôd a rýchlosť odstraňovania liečiv, ako sú antibiotiká a fenolové zlúčeniny v odpadových vodách môže byť až 99 %. Avšak hydrofóbne látky v odpadovej vode sa na povrchu membrány ľahko usadzujú, čím sa znižuje tok membrány. Predbežná úprava odpadovej vody, ako je flokulácia a zrážanie, v kombinácii s membránovou destiláciou, môže účinne zmierniť tvorbu vodného kameňa na membráne a zlepšiť rýchlosť odstraňovania liečiv vo farmaceutických odpadových vodách. Okrem toho kombinácia iných procesov s membránovou destiláciou (ako je proces spájania MBR-MD) môže účinne odstrániť stopové množstvá liečiv v odpadovej vode.
PROSPECT
Technológia membránovej destilácie sa v posledných rokoch rýchlo vyvinula a začala sa používať na čistenie typických priemyselných odpadových vôd, ako sú petrochemické odpadové vody, odpadové vody z odsírenia a odpadové vody z koksovania, ale čelí mnohým problémom, ako je nízka miera využitia tepla, vysoké náklady na membrány, znečistenie membrán a zmáčanie.
Ďalší výskum je potrebný z nasledujúcich hľadísk:
① Znížiť spotrebu energie membránového destilačného systému, zlepšiť účinnosť využitia tepla a ďalej vykonávať výskum solárnej energie, geotermálnych a iných spojovacích technológií s membránovou destiláciou;
② Vyvinúť nové membránové materiály, navrhnúť diverzifikované membránové komponenty a zlepšiť tok membrány;
③ Pri mechanizme tvorby a preventívnych opatreniach tvorby vodného kameňa na membráne je možné podrobne diskutovať o vplyve charakteristík zanášania, charakteristík membrány, prevádzkového prostredia a materiálových charakteristík na mechanizmus tvorby znečistenia;
④ V súčasnosti existuje malý výskum hodnotenia životného cyklu membránovej destilácie.
Preto je jedným z budúcich smerov výskumu aj vykonávanie hodnotenia životného cyklu membránového destilačného systému.