Технічна підготовка
В останні роки нестача води та забруднення стали головними проблемами, які заважають розвитку людського суспільства. Як використовувати ефективну технологію очищення води для отримання прісної води з морської та солонуватої води, а також для переробки промислових стічних вод, є ключем до вирішення водної кризи.
Як ефективна технологія очищення води, технологія мембранного розділення має характеристики високої ефективності, безперервної роботи та сильної керованості, і широко використовується в галузі опріснення морської води та очищення промислових стічних вод.
Однак такі технології, як електродіаліз (електродіаліз) і зворотний осмос (RO) у технології мембранного розділення, все ще мають такі проблеми, як низький коефіцієнт теплового використання, високе споживання енергії, високий робочий тиск і вторинне забруднення. Тому нові технології мембранного розділення отримали широку увагу.
ОГЛЯД
Технологія мембранної дистиляції (MD) — це технологія низькотемпературної термомембранної сепарації, розроблена з розвитком мембранного опріснення за допомогою зворотного осмосу. Будучи новим типом теплової мембранної технології, вона має хороші перспективи застосування в галузі очищення промислових стічних вод завдяки м’яким умовам експлуатації, високій швидкості виробництва води, хорошій продуктивності розділення та використанню тепла промислових відходів. У той же час, порівняно з традиційними мембранними технологіями, керованими тиском, такими як нанофільтрація та зворотний осмос, мембранна дистиляція не вимагає високої якості сирої води. При обробці висококонцентрованих і важкорозкладних стічних вод можна отримати високоякісну вихідну воду, яка використовувалася для очищення типових промислових стічних вод.
ПРИНЦИП
Мембранну дистиляцію можна просто розглядати як комбінацію технології мембранного розділення та дистиляції. Це процес розділення, який використовує гідрофобну мікропористу мембрану як середовище розділення та використовує різницю тиску пари з обох сторін мембрани як рушійну силу. Одна сторона мембрани безпосередньо контактує з сирою рідиною. Через різницю температур з обох сторін мембрани на поверхні пор гідрофобної мембрани утворюється межа розділу газ-рідина. Рідка вода випаровується в пару і проходить через пори мембрани, конденсуючись у дистильовану воду з іншого боку мембрани. Нелеткі речовини, розчинені у воді, не будуть мігрувати з водяною парою, завдяки чому досягається розділення, концентрація та очищення живильної рідини.
Суть процесу мембранної дистиляції полягає в процесі теплообміну і масообміну, причому при мембранній дистиляції теплообмін і масообмін відбуваються одночасно.
Спосіб високошвидкісного проходження газу через камеру газової фази для відбирання насиченої пари і подальшої конденсації називається мембранною дистиляцією з газовою продувкою, а метод вилучення пари з камери газової фази через вакуум і її конденсації називається вакуумом. мембранна дистиляція;
Метод безпосереднього пропускання охолоджувальної води через камеру парової фази для поглинання насиченої пари називається прямоконтактною мембранною дистиляцією;
Метод використання охолоджувальної води через теплообмінники для миттєвої конденсації насиченої пари в камері парової фази називається мембранною дистиляцією з повітряним проміжком.
КЛАСИФІКУВАТИ
Під час процесу мембранної дистиляції одна сторона мембрани знаходиться в прямому контакті з живильною рідиною, а інша сторона може бути розділена на чотири різні форми відповідно до різних методів конденсації (див. Малюнок 1): мембранна дистиляція з прямим контактом (DCMD) , мембранна дистиляція з повітряним проміжком (AGMD), мембранна дистиляція з газовою продувкою (SGMD) і вакуумна мембранна дистиляція (VMD).
Дві сторони мембрани DCMD контактують із живильною рідиною та циркулюючою охолоджувальною водою відповідно. Різниця тиску пари, утворена різницею температур між мембраною, керує всім процесом розділення мембрани, а проникнута водяна пара конденсується в циркулюючій охолоджуючій воді.
AGMD схожий на DCMD, але між гарячою стороною мембрани та циркулюючою охолоджувальною водою додається конденсаційна пластина з повітряним зазором для охолодження посередині. Після проходження водяної пари через мембрану вона конденсується на охолоджувальній пластині та збирається.
SGMD безпосередньо використовує сухий газ для постійного очищення сторони проникнення дистиляційної мембрани, а проникнута водяна пара виводиться з мембранного дистиляційного пристрою, конденсується та збирається.
VMD використовує вакуумний насос для перекачування сторони проникнення для формування певного вакууму, а водяна пара витягується та охолоджується після проходження через мембрану.
ПЕРЕВАГА
(1) Процес мембранної дистиляції здійснюється майже при нормальному тиску, з простим обладнанням і легкою експлуатацією. Також можлива реалізація в районах зі слабкою технічною забезпеченістю;
(2) У процесі мембранної дистиляції водного розчину нелеткої розчиненої речовини, оскільки лише водяна пара може проходити через пори мембрани, дистилят є дуже чистим, що, як очікується, стане ефективним засобом великомасштабного та недорогого приготування надчистої води;
(3) Цей процес може обробляти водні розчини надзвичайно високої концентрації. Якщо розчинена речовина є речовиною, яка легко кристалізується, розчин можна сконцентрувати до перенасиченого стану, і відбудеться мембранна дистиляційна кристалізація. Це єдиний мембранний процес, який може безпосередньо відокремити кристалічний продукт від розчину;
(4) Мембранний дистиляційний компонент можна легко сконструювати у форму рекуперації прихованого тепла та має гнучкість для формування великомасштабної виробничої системи з ефективними невеликими мембранними компонентами;
(5) У цьому процесі немає необхідності нагрівати розчин до точки кипіння. Поки різниця температур між двома сторонами мембрани підтримується належним чином, процес можна проводити. Можна використовувати дешеву енергію, таку як сонячна енергія, геотермальна енергія, гарячі джерела, відпрацьоване тепло заводів і теплі промислові стічні води.
ЗАСТОСУВАННЯ
1. Нафтохімічні стічні води
Традиційний нафтохімічний процес очищення стічних вод - процес "старих трьох наборів", а саме "відділення нафти-коагуляція-фільтрація" або "відділення нафти-флотація-фільтрація", важко відповідати стандарту повторного закачування стічних вод для якості очищеної води. В даний час зворотний осмос (RO) і розширений процес окислення (AOP) використовуються для очищення нафтохімічних стічних вод, але RO має високе енергоспоживання, високі вимоги до якості вхідної води та низьку швидкість відновлення води. Технологія AOP, яку представляє Fenton, вимагає додавання хімікатів, що призводить до утворення великої кількості осаду. У порівнянні з традиційною технологією опріснення, мембранна дистиляція може очищати стічні води з TDS до 350,000 мг/л, може працювати при нижчому тиску та має кращу адаптивність до нафтохімічних стічних вод.
Певне інженерне застосування показує, що швидкість опріснення DCMD при обробці високомінералізованих нафтохімічних стічних вод досягає 99%, і він може ефективно видаляти інші забруднюючі речовини, такі як органічний вуглець. Проте мембранна дистиляція має високе енергоспоживання і не така економічна, як RO. Порівняно з мембранними технологіями, керованими тиском (такими як RO), мембранна дистиляція має меншу тенденцію до накипу, але утворення накипу на мембрані та змочування мембрани призведуть до зниження швидкості виробництва води та якості води, особливо за умов високого відновлення. Щоб затримати зволоження мембрани, дистиляційну мембрану можна модифікувати, щоб покращити властивості мембрани проти обростання та зволоження.
2. Десульфурація стічних вод вугільних електростанцій
Традиційні методи очищення стічних вод включають фізичні, хімічні та біологічні методи. Серед них хімічні методи часто використовуються для видалення SS і важких металів, але коли якість води та об’єм води сильно коливаються, ефективність видалення цього методу невисока, а Cl і F- неможливо ефективно видалити. Коли флокуляція використовується для видалення SS і металевих опадів, швидкість поділу є низькою, оскільки металеві осади часто мають субмікронні або нанометрові розміри. Мембранні технології, такі як мікрофільтрація (MF) і ультрафільтрація (UF), використовувалися для десульфурації стічних вод, але очищені стічні води не можна безпосередньо скидати або використовувати повторно через високу концентрацію TDS. Мембранна дистиляція не вимагає високої якості вхідної води і може ефективно очищати стічні води з високим вмістом солі. Їй приділяється все більша увага в галузі десульфурації очищення стічних вод.
Використовуючи мембранну дистиляційну технологію для очищення сіркоочисних стічних вод, можна отримати високоякісну вихідну воду. Однак через наявність у стічних водах забруднюючих речовин з низькою поверхневою енергією можна легко спричинити змочування та забруднення мембрани, що призведе до погіршення якості стічної води, скоротить термін служби мембрани та збільшить вартість очищення.
В останні роки, у відповідь на проблеми забруднення мембрани та змочування мембрани, комбінованим процесам приділяється особлива увага. Дослідження виявили, що поєднання мембранної дистиляції з іншими процесами (такими як FO-MD) має кращий ефект очищення, ніж технологія одномембранної дистиляції, і може ефективно уповільнити забруднення та змочування мембрани та збільшити термін служби мембрани. Дослідження показали, що комбінування вапняної магнітної коагуляції та мембранної дистиляції для десульфурації очищення стічних вод може отримати високоякісну вихідну воду, а мембрана не демонструє змочування мембрани при тривалій експлуатації.
3. Радіоактивні стічні води
На даний момент основним процесом очищення радіоактивних стічних вод у моїй країні є флокуляційне осадження-випаровування-іонний обмін, у якому флокуляційне осадження та іонний обмін призведуть до утворення великої кількості вторинних забруднюючих речовин, а споживання енергії для концентрації випаровування є занадто високим. Дослідження показали, що мембранні технології, що керуються тиском, такі як RO, можуть ефективно відокремлювати радіоактивні речовини, але ефективність видалення RO для бору становить лише 40%-80%. Хоча швидкість видалення борної кислоти можна збільшити, регулюючи рН, завдяки буферному ефекту борної кислоти для регулювання потрібно додати велику кількість лугу, щоб збільшити солоність бору, тим самим зменшуючи вихід води з RO.
Для видалення невеликих іонних радіоактивних ізотопів у стічній воді необхідно поєднати мембранну технологію, керовану тиском, із хімічним комплексоутворенням. Ключ полягає в регенерації комплексоутворювача, і потрібна додаткова фільтрація. Коли мембранна дистиляція обробляє радіоактивні стічні води, осмотичний тиск і концентраційна поляризація мало впливають на мембранний потік, і вона може працювати при високій солоності.
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 г/л). Крім того, розчинність борної кислоти істотно змінюється з температурою. Мембранна дистиляційна кристалізація (VMDC) може повністю використовувати цю функцію для концентрування борної кислоти у стічних водах.
Контакт між дистиляційною мембраною та радіоактивними речовинами може легко порушити стабільність мембрани та навіть спричинити її деградацію. Тому дистиляційна мембрана повинна мати достатню радіаційну стійкість. Дослідження показали, що модифікація мембрани фторуванням може покращити радіаційну стійкість мембрани.
4. Стічні води коксування
Стічні води коксування мають різкий запах і містять велику кількість токсичних і важкорозкладних забруднюючих речовин. Традиційні технології очищення в основному включають фізичні та хімічні методи очищення, такі як екстракція фенольних сполук розчинником і видалення аміаку, а також біологічні методи очищення, такі як метод активного мулу. Проте очищена стічна вода все ще містить велику кількість солі та біорозкладаних сполук, таких як поліциклічні ароматичні вуглеводні та гетероциклічні сполуки.
Після процесів попередньої обробки, таких як видалення нафти та дистиляція аміаку, стічні води коксування все ще можуть підтримувати температуру близько 50 градусів, що забезпечує сприятливі умови для мембранної дистиляції з використанням відпрацьованого промислового тепла для очищення стічних вод коксування. В останні роки застосування технології мембранної дистиляції для очищення стічних вод від коксування поступово стало гарячою точкою досліджень. Результати досліджень показують, що мембранна дистиляція має високу ефективність видалення нелетких речовин, а швидкість видалення забруднюючих речовин у стічних водах переважно перевищує 98%.
Однак гідрофобні забруднювачі в стічних водах, такі як ароматичні вуглеводні та гетероциклічні сполуки, виявляють сильну спорідненість до гідрофобних мембран, що може легко призвести до змочування мембрани та забруднення мембрани. Властивості мембрани проти забруднення та зволоження можна покращити шляхом попередньої обробки стічних вод або модифікації мембрани.
5. Фармацевтичні стічні води
У мембранній технології RO має хороший ефект очищення фармацевтичних стічних вод, але споживання енергії є високим, а RO має поганий ефект очищення низькомолекулярних нейтральних сполук, таких як N-нітрозодиметиламін (NDMA). В останні роки технологія мембранної дистиляції поступово використовується для очищення фармацевтичних стічних вод. У літературі мембранна дистиляція використовується для очищення фармацевтичних стічних вод, і швидкість видалення ліків, таких як антибіотики та фенольні сполуки, у стічних водах може досягати 99%. Однак гідрофобні речовини в стічних водах легко утворюють накип на поверхні мембрани, зменшуючи потік через мембрану. Попередня обробка стічних вод, така як флокуляція та осадження, у поєднанні з мембранною дистиляцією може ефективно зменшити утворення накипу на мембрані та покращити швидкість видалення ліків у фармацевтичних стічних водах. Крім того, поєднання інших процесів із мембранною дистиляцією (наприклад, процес сполучення MBR-MD) може ефективно видалити сліди ліків у стічних водах.
ПРОСПЕКТ
Технологія мембранної дистиляції швидко розвинулась в останні роки та почала використовуватися для очищення типових промислових стічних вод, таких як нафтохімічні стічні води, стічні води десульфурації та коксування, але вона стикається з багатьма проблемами, такими як низький рівень використання тепла, висока вартість мембран, забруднення мембран та змочування.
Необхідні подальші дослідження з таких аспектів:
① Зменшити споживання енергії мембранною дистиляційною системою, підвищити ефективність використання тепла та подальше проведення досліджень сонячної енергії, геотермальної та інших технологій сполучення з мембранною дистиляцією;
② Розробляти нові мембранні матеріали, проектувати різноманітні мембранні компоненти та покращувати мембранний потік;
③ Для механізму утворення та заходів запобігання утворенню накипу на мембрані можна детально обговорити вплив характеристик забруднення, характеристик мембрани, робочого середовища та характеристик матеріалу на механізм утворення забруднень;
④ Наразі мало досліджень щодо оцінки життєвого циклу мембранної дистиляції.
Тому проведення оцінки життєвого циклу мембранної дистиляційної системи також є одним із майбутніх напрямків досліджень.