Tehnička pozadina
Posljednjih godina nedostatak vode i zagađenje glavni su problemi koji ugrožavaju razvoj ljudskog društva. Kako koristiti učinkovitu tehnologiju obrade vode za dobivanje slatke vode iz morske i slane vode, te za recikliranje industrijske otpadne vode, ključ je za rješavanje krize vode.
Kao učinkovita tehnologija obrade vode, tehnologija membranske separacije ima značajke visoke učinkovitosti, kontinuiranog rada i snažne kontrole, te se naširoko koristi u područjima desalinizacije morske vode i obrade industrijskih otpadnih voda.
Međutim, tehnologije kao što su elektrodijaliza (elektrodijaliza) i reverzna osmoza (RO) u tehnologiji membranske separacije još uvijek imaju problema kao što su niska toplinska iskoristivost, velika potrošnja energije, visoki radni tlak i sekundarno onečišćenje. Stoga su nove tehnologije odvajanja membrana dobile široku pozornost.
PREGLED
Tehnologija membranske destilacije (MD) niskotemperaturna je tehnologija termalne membranske separacije razvijena s razvojem membranske desalinizacije reverznom osmozom. Kao nova vrsta membranske tehnologije pokretane toplinom, ima dobre izglede za primjenu u području obrade industrijskih otpadnih voda zbog svojih blagih radnih uvjeta, visoke stope proizvodnje vode, dobrih performansi odvajanja i korištenja industrijske otpadne topline. U isto vrijeme, u usporedbi s tradicionalnim membranskim tehnologijama koje se pokreću tlakom, kao što su nanofiltracija i reverzna osmoza, membranska destilacija ne zahtijeva visoku kvalitetu sirove vode. Pročišćavanjem visokokoncentriranih i teško razgradivih otpadnih voda može se dobiti visokokvalitetna izlazna voda, a korištena je za pročišćavanje tipičnih industrijskih otpadnih voda.
NAČELO
Membranska destilacija može se jednostavno smatrati kombinacijom tehnologije membranskog odvajanja i destilacije. To je proces odvajanja koji koristi hidrofobnu mikroporoznu membranu kao medij za odvajanje i koristi razliku tlaka pare na obje strane membrane kao pokretačku snagu. Jedna strana membrane je u izravnom kontaktu sa sirovom tekućinom. Zbog temperaturne razlike s obje strane membrane, na površini pora hidrofobne membrane stvara se sučelje plin-tekućina. Tekuća voda isparava u paru i prolazi kroz pore membrane, kondenzirajući se u destiliranu vodu s druge strane membrane. Nehlapljive tvari otopljene u vodi neće migrirati s vodenom parom, čime se postiže odvajanje, koncentracija i pročišćavanje tekućine za punjenje.
Bit procesa membranske destilacije je proces prijenosa topline i prijenosa mase, a kod membranske destilacije prijenos topline i prijenos mase odvijaju se istovremeno.
Metoda strujanja plina velike brzine kroz komoru za plinsku fazu kako bi se oduzela zasićena para i zatim kondenzirala naziva se destilacija membrane za čišćenje plinom, a metoda ekstrakcije pare iz komore za plinsku fazu kroz vakuum i njezino kondenziranje naziva se vakuum membranska destilacija;
Metoda izravnog strujanja rashladne vode kroz komoru za parnu fazu radi apsorpcije zasićene pare naziva se izravna kontaktna membranska destilacija;
Metoda korištenja rashladne vode kroz izmjenjivače topline za trenutnu kondenzaciju zasićene pare u komori s parnom fazom naziva se destilacija membrane zračnog raspora.
RAZVRSTATI
Tijekom postupka destilacije membrane, jedna je strana membrane u izravnom kontaktu s dovodnom tekućinom, a druga se strana može podijeliti u četiri različita oblika prema različitim metodama kondenzacije (vidi sliku 1): Destilacija izravne kontaktne membrane (DCMD) , Destilacija membrane zračnog praznina (AGMD), destilacija membrane plina (SGMD) i destilacija vakuumske membrane (VMD).
Dvije strane DCMD membrane su u kontaktu s dovodnom tekućinom i cirkulirajućom vodom za hlađenje. Razlika tlaka pare koju stvara transmembranska temperaturna razlika pokreće cijeli proces odvajanja membrane, a prožeta vodena para se kondenzira u cirkulirajućoj rashladnoj vodi.
AGMD je sličan DCMD-u, ali je kondenzacijska ploča dodana između vruće strane membrane i cirkulirajuće rashladne vode, s rasporom za rashladni zrak u sredini. Nakon što vodena para prođe kroz membranu, kondenzira se na rashladnoj ploči i skuplja.
SGMD izravno koristi suhi plin za kontinuirano pročišćavanje propusne strane destilacijske membrane, a propuštena vodena para se izvodi iz uređaja za membransku destilaciju te kondenzira i skuplja.
VMD koristi vakuumsku pumpu za pumpanje propusne strane kako bi se stvorio određeni vakuum, a vodena para se ekstrahira i hladi nakon prolaska kroz membranu.
PREDNOST
(1) Proces membranske destilacije provodi se gotovo pri normalnom tlaku, uz jednostavnu opremu i jednostavan rad. Također je moguće implementirati u područjima sa slabom tehničkom snagom;
(2) U procesu membranske destilacije nehlapljive vodene otopine otopljene tvari, budući da samo vodena para može proći kroz pore membrane, destilat je vrlo čist, za koji se očekuje da će postati učinkovito sredstvo za masovnu i jeftinu pripremu ultračiste vode;
(3) Ovaj postupak može tretirati izuzetno visoku koncentracijsku vodenu otopinu. Ako je rastvor je tvar koju je lako kristalizirati, otopina se može koncentrirati na prenasićeno stanje i kristalizaciju destilacije membrane. To je jedini membranski postupak koji može izravno odvojiti kristalni proizvod od otopine;
(4) Komponenta membranske destilacije može se lako dizajnirati u obliku latentne topline i ima fleksibilnost za formiranje proizvodnog sustava velikih razmjera s učinkovitim malim membranskim komponentama;
(5) U ovom postupku nema potrebe zagrijavati otopinu do točke vrenja. Sve dok se temperaturna razlika između dviju strana membrane održava na odgovarajući način, proces se može provesti. Moguće je koristiti jeftinu energiju poput sunčeve energije, geotermalne energije, toplih izvora, otpadne topline iz tvornica i tople industrijske otpadne vode.
PRIMJENA
1. Petrokemijske otpadne vode
Tradicionalni postupak pročišćavanja petrokemijskih otpadnih voda-proces "Old Tri set", naime "razdvajanje ulja-koagulacije" ili "razdvajanje-flotacija razdvajanja ulja", teško je zadovoljiti standard za unošenje kanalizacije za obrađenu kvalitetu vode. Trenutno su reverzna osmoza (RO) i napredni proces oksidacije (AOP) korišteni za obradu petrokemijskog otpadnih voda, ali RO ima visoku potrošnju energije, visoke zahtjeve za kvalitetu utjecaja i nisku brzinu oporavka vode. AOP tehnologija predstavljena Fentonom zahtijeva dodavanje kemikalija, što proizvodi veliku količinu mulja. U usporedbi s tradicionalnom tehnologijom desalinizacije, destilacija membrane može tretirati otpadne vode s TDS do 350, 000 mg/l, može djelovati na nižem pritisku i ima bolju prilagodljivost petrokemijskom otpadnoj vodi.
Određena inženjerska primjena pokazuje da je stopa desalinizacije DCMD-a u obradi visoko mineralizirane petrokemijske otpadne vode čak 99%, a može učinkovito ukloniti druge zagađivače kao što je organski ugljik. Međutim, membranska destilacija ima veliku potrošnju energije i nije tako ekonomična kao RO. U usporedbi s membranskim tehnologijama koje se pokreću pod tlakom (kao što je RO), membranska destilacija ima manju tendenciju stvaranja kamenca, ali će stvaranje kamenca na membrani i vlaženje membrane dovesti do smanjenja stope proizvodnje vode i kvalitete vode, posebno u uvjetima visokog oporavka. Kako bi se odgodilo vlaženje membrane, destilacijska membrana se može modificirati kako bi se poboljšala svojstva membrane protiv obraštanja i vlaženja.
2. Otpadne vode od sumpora iz elektrana na ugljen
Konvencionalne metode obrade otpadnih voda za odsumporavanje uključuju fizikalne, kemijske i biološke metode. Među njima, kemijske metode se često koriste za uklanjanje SS i teških metala, ali kada kvaliteta vode i volumen vode jako variraju, učinkovitost uklanjanja ove metode nije visoka, a Cl i F- se ne mogu učinkovito ukloniti. Kada se flokulacija koristi za uklanjanje SS i metalnih taloga, brzina odvajanja je mala jer su metalni talozi često submikronske ili nanometarske veličine. Membranske tehnologije kao što su mikrofiltracija (MF) i ultrafiltracija (UF) korištene su za desumporizaciju otpadne vode, ali pročišćena otpadna voda ne može se izravno ispustiti ili ponovno upotrijebiti zbog visoke koncentracije TDS. Membranska destilacija ne zahtijeva visoku kvalitetu ulazne vode i može učinkovito pročišćavati otpadnu vodu visoke koncentracije koja sadrži sol. Dobio je sve veću pozornost u području obrade otpadnih voda desulfurizacije.
Korištenjem tehnologije membranske destilacije za obradu otpadnih voda od sumpora može se dobiti visokokvalitetna izlazna voda. Međutim, zbog prisutnosti zagađivača niske površinske energije u otpadnoj vodi, lako je izazvati vlaženje membrane i onečišćenje, što će dovesti do pogoršanja kvalitete otpadne vode, skratiti životni vijek membrane i povećati troškove pročišćavanja.
Posljednjih godina, kao odgovor na probleme kontaminacije membrane i vlaženja membrane, kombinirani procesi dobili su posebnu pozornost. Studije su otkrile da spajanje membranske destilacije s drugim procesima (kao što je FO-MD) ima bolje učinke tretmana od tehnologije jednostruke membranske destilacije i može učinkovito usporiti kontaminaciju membrane i vlaženje te produžiti životni vijek membrane. Studije su pokazale da se kombiniranjem magnetske koagulacije vapnom i membranske destilacije za obradu otpadnih voda od sumpora može dobiti visokokvalitetna izlazna voda, a membrana ne pokazuje vlaženje membrane tijekom dugotrajnog rada.
3. Radioaktivne otpadne vode
Trenutačno je glavni proces pročišćavanja radioaktivnih otpadnih voda u mojoj zemlji flokulacija taloženje-isparavanje-ionska izmjena, pri čemu će flokulacija taloženje i ionska izmjena proizvesti veliki broj sekundarnih zagađivača, a potrošnja energije koncentracije isparavanja je previsoka. Studije su pokazale da membranske tehnologije pokretane tlakom, kao što je RO, mogu učinkovito odvojiti radioaktivne tvari, ali učinkovitost uklanjanja RO za bor je samo 40% do 80%. Iako se brzina uklanjanja borne kiseline može povećati podešavanjem pH, zbog puferskog učinka borne kiseline potrebno je dodati veliku količinu lužine za podešavanje kako bi se povećao salinitet bora, čime se smanjuje izlaz vode iz RO.
Kako bi se uklonili mali ionski radioaktivni izotopi u otpadnoj vodi, potrebno je kombinirati membransku tehnologiju pod tlakom i kemijsko kompleksiranje. Ključ je u regeneraciji kompleksirajućeg agensa, a potrebna je dodatna filtracija. Kada se membranskom destilacijom tretira radioaktivna otpadna voda, osmotski tlak i koncentracijska polarizacija imaju mali učinak na membranski tok i može raditi pri visokoj 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>40G/L). Pored toga, topljivost borne kiseline značajno se mijenja s temperaturom. Kristalizacija destilacije membrane (VMDC) može u potpunosti iskoristiti ovu značajku za koncentriranje borne kiseline u otpadnim vodama.
Kontakt između destilacijske membrane i radioaktivnih tvari može lako uništiti stabilnost membrane, pa čak i uzrokovati degradaciju membrane. Stoga bi destilacijska membrana trebala imati dovoljnu otpornost na zračenje. Studije su pokazale da modifikacija membrane fluoriranjem može poboljšati otpornost membrane na zračenje.
4. Otpadne vode od koksiranja
Otpadne vode od koksiranja imaju oštar miris i sadrže veliki broj otrovnih i teško razgradivih zagađivača. Tradicionalne tehnologije obrade uglavnom uključuju fizičke i kemijske metode obrade, kao što je ekstrakcija fenolnih spojeva otapalom i uklanjanje amonijaka, kao i metode biološke obrade, kao što je metoda aktivnog mulja. Međutim, pročišćena otpadna voda još uvijek sadrži veliku količinu soli i biorazgradivih spojeva, poput policikličkih aromatskih ugljikovodika i heterocikličkih spojeva.
Nakon procesa predobrade kao što su uklanjanje ulja i destilacija amonijaka, otpadna voda od koksiranja još uvijek može održavati temperaturu od oko 50 stupnjeva, što pruža povoljne uvjete za membransku destilaciju za korištenje industrijske otpadne topline za obradu otpadne vode od koksiranja. Posljednjih je godina primjena tehnologije membranske destilacije za pročišćavanje otpadnih voda od koksiranja postupno postala žarište istraživanja. Rezultati istraživanja pokazuju da membranska destilacija ima visoku učinkovitost uklanjanja nehlapljivih tvari, a stopa uklanjanja onečišćujućih tvari u otpadnoj vodi uglavnom je iznad 98%.
Međutim, hidrofobni zagađivači u otpadnoj vodi, kao što su aromatski ugljikovodici i heterociklički spojevi, pokazuju snažan afinitet prema hidrofobnim membranama, što može lako dovesti do vlaženja membrane i onečišćenja membrane. Svojstva membrane protiv obraštanja i vlaženja mogu se poboljšati prethodnom obradom otpadne vode ili modificiranjem membrane.
5. Farmaceutske otpadne vode
U membranskoj tehnologiji, RO ima dobar učinak obrade farmaceutskih otpadnih voda, ali je potrošnja energije visoka, a RO ima loš učinak obrade niskomolekularnih neutralnih spojeva kao što je N-nitrozodimetilamin (NDMA). Posljednjih godina tehnologija membranske destilacije postupno se koristi za obradu farmaceutskih otpadnih voda. U literaturi se membranska destilacija koristi za obradu farmaceutskih otpadnih voda, a stopa uklanjanja lijekova poput antibiotika i fenolnih spojeva u otpadnoj vodi može biti čak 99%. Međutim, hidrofobne tvari u otpadnoj vodi lako se nakupljaju na površini membrane, smanjujući protok kroz membranu. Predobrada otpadne vode kao što je flokulacija i taloženje, u kombinaciji s membranskom destilacijom, može učinkovito ublažiti stvaranje kamenca na membrani i poboljšati brzinu uklanjanja lijekova u farmaceutskoj otpadnoj vodi. Osim toga, kombiniranje drugih procesa s membranskom destilacijom (kao što je proces spajanja MBR-MD) može učinkovito ukloniti tragove lijekova u otpadnoj vodi.
PROSPEKT
Tehnologija membranske destilacije brzo se razvila posljednjih godina i počela se koristiti za obradu tipičnih industrijskih otpadnih voda kao što su petrokemijske otpadne vode, otpadne vode od odsumporavanja i otpadne vode od koksiranja, ali se suočava s mnogim problemima kao što su niska stopa iskorištenja topline, visoka cijena membrane, onečišćenje membrane i vlaženje.
Potrebna su daljnja istraživanja iz sljedećih aspekata:
① Smanjiti potrošnju energije sustava membranske destilacije, poboljšati učinkovitost iskorištavanja topline i dalje provoditi istraživanja solarne energije, geotermalne i drugih tehnologija spajanja s membranskom destilacijom;
② Razvijte nove membranske materijale, dizajnirajte raznolike komponente membrane i poboljšajte protok membrane;
③ Za mehanizam stvaranja i preventivne mjere stvaranja kamenca na membrani, može se duboko raspravljati o utjecaju karakteristika onečišćenja, karakteristika membrane, radne okoline i karakteristika materijala na mehanizam stvaranja onečišćenja;
④ Trenutno postoji malo istraživanja o procjeni životnog ciklusa membranske destilacije.
Stoga je provođenje procjene životnog ciklusa sustava membranske destilacije također jedan od budućih smjerova istraživanja.