Technické zázemí
Nedostatek vody a znečištění jsou v posledních letech velkými problémy, které sužují vývoj lidské společnosti. Jak používat účinnou technologii úpravy vody k získávání čerstvé vody z mořské a brakické vody a k recyklaci průmyslových odpadních vod je klíčem k řešení vodní krize.
Jako účinná technologie úpravy vody má technologie membránové separace vlastnosti vysoké účinnosti, nepřetržitého provozu a silné ovladatelnosti a je široce používána v oblasti odsolování mořské vody a čištění průmyslových odpadních vod.
Technologie jako elektrodialýza (elektrodialýza) a reverzní osmóza (RO) v technologii membránové separace však stále mají problémy, jako je nízká míra tepelného využití, vysoká spotřeba energie, vysoký pracovní tlak a sekundární znečištění. Proto se novým technologiím membránové separace dostalo široké pozornosti.
PŘEHLED
Technologie membránové destilace (MD) je technologie nízkoteplotní tepelné membránové separace vyvinutá s rozvojem odsolování membrán s reverzní osmózou. Jako nový typ tepelně poháněné membránové technologie má dobré vyhlídky na uplatnění v oblasti čištění průmyslových odpadních vod díky svým mírným provozním podmínkám, vysoké rychlosti produkce vody, dobrému separačnímu výkonu a využití průmyslového odpadního tepla. Současně ve srovnání s tradičními tlakově řízenými membránovými technologiemi, jako je nanofiltrace a reverzní osmóza, membránová destilace nevyžaduje vysokou kvalitu surové vody. Při čištění vysoce koncentrovaných a obtížně rozložitelných odpadních vod lze získat vysoce kvalitní výstupní vodu, která se používá k čištění typických průmyslových odpadních vod.
PRINCIP
Membránovou destilaci lze jednoduše považovat za kombinaci technologie membránové separace a destilace. Jedná se o separační proces, který využívá hydrofobní mikroporézní membránu jako separační médium a jako hnací sílu využívá rozdíl tlaku par na obou stranách membrány. Jedna strana membrány je v přímém kontaktu se surovou kapalinou. Rozdílem teplot na obou stranách membrány se na povrchu pórů hydrofobní membrány vytvoří rozhraní plyn-kapalina. Kapalná voda se odpařuje na páru a prochází póry membrány a kondenzuje na destilovanou vodu na druhé straně membrány. Netěkavé látky rozpuštěné ve vodě nebudou migrovat s vodní párou, čímž se dosáhne separace, koncentrace a čištění vstupní kapaliny.
Podstatou procesu membránové destilace je proces přenosu tepla a přenosu hmoty a při membránové destilaci dochází k přenosu tepla a přenosu hmoty současně.
Metoda vysokorychlostního proudění plynu komorou s plynnou fází, aby odváděla nasycenou páru a následně kondenzovala, se nazývá membránová destilace s vyplachováním a metoda extrakce páry z komory s plynnou fází pomocí vakua a její kondenzace se nazývá vakuum. membránová destilace;
Metoda přímého proudění chladicí vody komorou v parní fázi k absorpci nasycené páry se nazývá přímá kontaktní membránová destilace;
Způsob použití chladicí vody prostřednictvím výměníků tepla k okamžité kondenzaci nasycené páry v komoře s parní fází se nazývá membránová destilace se vzduchovou mezerou.
KLASIFIKOVAT
Během procesu membránové destilace je jedna strana membrány v přímém kontaktu s přiváděnou kapalinou a druhá strana může být rozdělena do čtyř různých forem podle různých metod kondenzace (viz obrázek 1): přímá kontaktní membránová destilace (DCMD) membránová destilace se vzduchovou mezerou (AGMD), plynová membránová destilace (SGMD) a vakuová membránová destilace (VMD).
Dvě strany DCMD membrány jsou v kontaktu s napájecí kapalinou a cirkulující chladicí vodou. Rozdíl tlaku par tvořený transmembránovým teplotním rozdílem pohání celý proces membránové separace a prostupující vodní pára kondenzuje v cirkulující chladicí vodě.
AGMD je podobný DCMD, ale mezi horkou stranu membrány a cirkulující chladicí vodu je přidána kondenzační deska s chladicí vzduchovou mezerou uprostřed. Poté, co vodní pára projde membránou, kondenzuje na chladicí desce a shromažďuje se.
SGMD přímo používá suchý plyn k kontinuálnímu proplachování permeační strany destilační membrány a permeovaná vodní pára je odváděna z membránového destilačního zařízení a kondenzována a shromažďována.
VMD používá vývěvu k čerpání permeační strany k vytvoření určitého vakua a vodní pára je extrahována a ochlazena po průchodu membránou.
VÝHODA
(1) Proces membránové destilace se provádí téměř za normálního tlaku, s jednoduchým vybavením a snadnou obsluhou. Je také možné realizovat v oblastech se slabou technickou pevností;
(2) V procesu membránové destilace netěkavého vodného roztoku rozpuštěné látky, protože póry membrány může procházet pouze vodní pára, je destilát velmi čistý, od něhož se očekává, že se stane účinným prostředkem pro velkoobjemovou a nízkonákladovou přípravu ultračisté vody;
(3) Tento proces může zpracovávat extrémně vysoké koncentrace vodných roztoků. Pokud je rozpuštěnou látkou látka, která snadno krystalizuje, lze roztok zkoncentrovat do přesyceného stavu a dojde ke krystalizaci membránovou destilací. Je to jediný membránový proces, který může přímo oddělit krystalický produkt od roztoku;
(4) Membránová destilační složka může být snadno navržena do formy rekuperace latentního tepla a má flexibilitu pro vytvoření rozsáhlého výrobního systému s účinnými malými membránovými součástmi;
(5) V tomto procesu není potřeba zahřívat roztok k bodu varu. Pokud je teplotní rozdíl mezi oběma stranami membrány udržován přiměřeně, proces může být prováděn. Je možné využívat levnou energii, jako je solární energie, geotermální energie, horké prameny, odpadní teplo z továren a teplá průmyslová odpadní voda.
APLIKACE
1. Petrochemické odpadní vody
Tradiční petrochemický proces čištění odpadních vod - proces "staré tři sady", konkrétně "separace oleje-koagulace-filtrace" nebo "separace oleje-flotace-filtrace", je obtížné splnit normu pro reinjektáž odpadních vod pro kvalitu vyčištěné vody. V současné době se pro petrochemické čištění odpadních vod používá reverzní osmóza (RO) a pokročilý oxidační proces (AOP), ale RO má vysokou spotřebu energie, vysoké požadavky na kvalitu přítokové vody a nízkou míru regenerace výstupní vody. Technologie AOP reprezentovaná Fentonem vyžaduje přídavek chemikálií, čímž vzniká velké množství kalu. Ve srovnání s tradiční technologií odsolování může membránová destilace čistit odpadní vodu s TDS až 350,000 mg/l, může pracovat při nižším tlaku a má lepší adaptabilitu na petrochemické odpadní vody.
Jistá technická aplikace ukazuje, že míra odsolování DCMD při čištění vysoce mineralizovaných petrochemických odpadních vod je až 99 % a může účinně odstraňovat další znečišťující látky, jako je organický uhlík. Membránová destilace má však vysokou spotřebu energie a není tak ekonomická jako RO. Ve srovnání s tlakově řízenými membránovými technologiemi (jako je RO) má membránová destilace menší tendenci k tvorbě kotelního kamene, ale tvorba kotelního kamene a smáčení membrány povede ke snížení rychlosti produkce vody a kvality vody, zejména za podmínek vysoké regenerace. Aby se oddálilo smáčení membrány, destilační membrána může být upravena tak, aby se zlepšily vlastnosti membrány proti znečištění a proti smáčení.
2. Odsiřování odpadních vod z uhelných elektráren
Konvenční způsoby čištění pro odsíření odpadních vod zahrnují fyzikální, chemické a biologické způsoby. Mezi nimi se k odstranění SS a těžkých kovů často používají chemické metody, ale když kvalita vody a objem vody velmi kolísají, účinnost odstraňování této metody není vysoká a Cl a F- nelze účinně odstranit. Když se k odstranění SS a kovových precipitátů používá flokulace, je rychlost separace pomalá, protože kovové precipitáty mají často submikronové nebo nanometrové velikosti. Membránové technologie jako mikrofiltrace (MF) a ultrafiltrace (UF) byly použity pro čištění odpadních vod z odsíření, ale vyčištěnou odpadní vodu nelze přímo vypouštět nebo znovu používat kvůli vysoké koncentraci TDS. Membránová destilace nevyžaduje vysokou kvalitu přitékající vody a může účinně čistit odpadní vodu s vysokou koncentrací solí. Věnuje se mu stále větší pozornost v oblasti odsiřovacího čištění odpadních vod.
Použitím technologie membránové destilace k čištění odpadních vod z odsíření lze získat vysoce kvalitní výstupní vodu. Vzhledem k přítomnosti znečišťujících látek s nízkou povrchovou energií v odpadní vodě je však snadné způsobit smáčení a kontaminaci membrány, což povede ke zhoršení kvality odpadní vody, zkrátí životnost membrány a zvýší náklady na čištění.
V posledních letech, v reakci na problémy s kontaminací membrán a smáčením membrán, byla věnována zvláštní pozornost kombinovaným procesům. Studie zjistily, že spojení membránové destilace s jinými procesy (jako je FO-MD) má lepší léčebné účinky než technologie destilace s jednou membránou a může účinně zpomalit kontaminaci a smáčení membrány a zvýšit životnost membrány. Studie ukázaly, že kombinací vápenné magnetické koagulace a membránové destilace pro odsiřovací čištění odpadních vod lze získat vysoce kvalitní výstupní vodu a membrána nevykazuje při dlouhodobém provozu smáčení membrány.
3. Radioaktivní odpadní vody
V současné době je hlavním procesem čištění radioaktivních odpadních vod v mé zemi flokulační srážení-odpařování-iontová výměna, při které flokulační srážení a iontová výměna produkují velké množství sekundárních znečišťujících látek a spotřeba energie při odpařování je příliš vysoká. Studie ukázaly, že tlakově řízené membránové technologie, jako je RO, mohou účinně oddělit radioaktivní látky, ale účinnost odstranění RO pro bor je pouze 40 % až 80 %. I když rychlost odstraňování kyseliny borité lze zvýšit úpravou pH, kvůli pufračnímu účinku kyseliny borité je třeba přidat velké množství alkálie pro úpravu, aby se zvýšila slanost boru, čímž se sníží produkce vody RO.
Aby bylo možné odstranit malé iontové radioaktivní izotopy v odpadní vodě, je nutné kombinovat technologii tlakově řízených membrán s chemickou komplexací. Klíč spočívá v regeneraci komplexotvorného činidla a je nutná další filtrace. Když membránová destilace zpracovává radioaktivní odpadní vodu, osmotický tlak a koncentrační polarizace mají malý vliv na tok membránou a může pracovat při vysoké salinitě.
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). Kromě toho se rozpustnost kyseliny borité výrazně mění s teplotou. Membránová destilační krystalizace (VMDC) může tuto funkci plně využít ke koncentraci kyseliny borité v odpadních vodách.
Kontakt mezi destilační membránou a radioaktivními látkami může snadno zničit stabilitu membrány a dokonce způsobit její degradaci. Proto by destilační membrána měla mít dostatečnou radiační odolnost. Studie ukázaly, že modifikace membrány fluorací může zlepšit odolnost membrány vůči záření.
4. Koksovací odpadní vody
Odpadní voda z koksování má štiplavý zápach a obsahuje velké množství toxických a těžko odbouratelných škodlivin. Tradiční technologie čištění zahrnují především fyzikální a chemické způsoby čištění, jako je extrakce fenolických sloučenin rozpouštědlem a stripování amoniaku, a také metody biologického čištění, jako je metoda aktivovaného kalu. Vyčištěná odpadní voda však stále obsahuje velké množství solí a biologicky odbouratelných sloučenin, jako jsou polycyklické aromatické uhlovodíky a heterocyklické sloučeniny.
Po procesech předúpravy, jako je odstranění oleje a destilace čpavku, může odpadní voda z koksování stále udržovat teplotu asi 50 stupňů, což poskytuje příznivé podmínky pro membránovou destilaci pro využití průmyslového odpadního tepla pro úpravu odpadní vody z koksování. V posledních letech se aplikace technologie membránové destilace při čištění odpadních vod z koksování postupně stala ohniskem výzkumu. Výsledky výzkumu ukazují, že membránová destilace má vysokou účinnost odstraňování netěkavých látek a míra odstraňování znečišťujících látek v odpadních vodách je většinou nad 98 %.
Nicméně hydrofobní znečišťující látky v odpadních vodách, jako jsou aromatické uhlovodíky a heterocyklické sloučeniny, vykazují silnou afinitu k hydrofobním membránám, což může snadno vést ke smáčení membrány a jejímu znečištění. Vlastnosti membrány proti znečištění a smáčení lze zlepšit předčištěním odpadní vody nebo úpravou membrány.
5. Farmaceutické odpadní vody
V membránové technologii má RO dobrý čistící účinek na farmaceutické odpadní vody, ale spotřeba energie je vysoká a RO má špatný čistící účinek na nízkomolekulární neutrální sloučeniny, jako je N-nitrosodimethylamin (NDMA). Technologie membránové destilace se v posledních letech postupně začala používat pro čištění odpadních vod z léčiv. V literatuře se membránová destilace používá pro farmaceutické čištění odpadních vod a míra odstraňování léčiv, jako jsou antibiotika a fenolické sloučeniny, v odpadních vodách může dosahovat až 99 %. Hydrofobní látky v odpadní vodě se však na povrchu membrány snadno usazují a snižují tok membránou. Předúprava odpadních vod, jako je flokulace a srážení, v kombinaci s membránovou destilací, může účinně zmírnit tvorbu vodního kamene na membráně a zlepšit rychlost odstraňování léčiv ve farmaceutické odpadní vodě. Kromě toho, kombinace jiných procesů s membránovou destilací (jako je MBR-MD spojovací proces) může účinně odstranit stopová množství léčiv v odpadní vodě.
VYHLÍDKA
Technologie membránové destilace se v posledních letech rychle rozvinula a začala se používat k čištění typických průmyslových odpadních vod, jako jsou petrochemické odpadní vody, odpadní vody z odsíření a odpadní vody z koksování, ale potýká se s mnoha problémy, jako je nízká míra využití tepla, vysoké náklady na membrány, znečištění membrán a smáčení.
Je zapotřebí další výzkum z následujících hledisek:
① Snížit spotřebu energie membránového destilačního systému, zlepšit účinnost využití tepla a dále provádět výzkum solární energie, geotermálních a dalších spojovacích technologií s membránovou destilací;
② Vyvíjet nové membránové materiály, navrhovat diverzifikované membránové komponenty a zlepšovat membránový tok;
③ U mechanismu tvorby a preventivních opatření usazování vodního kamene lze hluboce diskutovat o vlivu charakteristik zanášení, charakteristik membrány, provozního prostředí a materiálových charakteristik na mechanismus tvorby usazenin;
④ V současné době je málo výzkumů týkajících se hodnocení životního cyklu membránové destilace.
Jedním z budoucích směrů výzkumu je proto také provádění hodnocení životního cyklu membránového destilačního systému.