Tehniskais fons
Pēdējos gados ūdens trūkums un piesārņojums ir lielas problēmas, kas apgrūtina cilvēku sabiedrības attīstību. Ūdens krīzes risināšanas atslēga ir tas, kā izmantot efektīvas ūdens attīrīšanas tehnoloģijas, lai iegūtu saldūdeni no jūras un iesāļa ūdens, kā arī pārstrādātu rūpnieciskos notekūdeņus.
Kā efektīvai ūdens attīrīšanas tehnoloģijai membrānas atdalīšanas tehnoloģijai ir augstas efektivitātes, nepārtrauktas darbības un spēcīgas vadāmības īpašības, un to plaši izmanto jūras ūdens atsāļošanas un rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanas jomā.
Tomēr tādām tehnoloģijām kā elektrodialīze (elektrodialīze) un reversā osmoze (RO) membrānas atdalīšanas tehnoloģijā joprojām ir problēmas, piemēram, zems termiskās izmantošanas līmenis, augsts enerģijas patēriņš, augsts darba spiediens un sekundārais piesārņojums. Tāpēc jaunas membrānas atdalīšanas tehnoloģijas ir saņēmušas plašu uzmanību.
PĀRSKATS
Membrānas destilācijas tehnoloģija (MD) ir zemas temperatūras termiskās membrānas atdalīšanas tehnoloģija, kas izstrādāta, attīstot reversās osmozes membrānas atsāļošanu. Kā jauna veida ar siltumu darbināmu membrānu tehnoloģiju, tai ir labas pielietojuma perspektīvas rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanas jomā, pateicoties vieglajiem darbības apstākļiem, augstajam ūdens ražošanas ātrumam, labam atdalīšanas veiktspējai un rūpnieciskā atkritumu siltuma izmantošanai. Tajā pašā laikā, salīdzinot ar tradicionālajām spiediena vadītajām membrānas tehnoloģijām, piemēram, nanofiltrāciju un reverso osmozi, membrānas destilācijai nav nepieciešama augsta neapstrādāta ūdens kvalitāte. Attīrot augstas koncentrācijas un grūti noārdāmus notekūdeņus, var iegūt kvalitatīvu izvadūdeni, kas izmantots tipisku rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanai.
PRINCIPS
Membrānas destilāciju var vienkārši uzskatīt par membrānas atdalīšanas un destilācijas tehnoloģijas kombināciju. Tas ir atdalīšanas process, kurā kā atdalīšanas vide tiek izmantota hidrofoba mikroporaina membrāna un kā dzinējspēks tiek izmantota tvaika spiediena starpība abās membrānas pusēs. Viena membrānas puse ir tiešā saskarē ar neapstrādātu šķidrumu. Caur temperatūras starpību abās membrānas pusēs uz hidrofobās membrānas poru virsmas veidojas gāzes un šķidruma saskarne. Šķidrais ūdens iztvaiko tvaikā un iziet cauri membrānas porām, membrānas otrā pusē kondensējoties destilētā ūdenī. Ūdenī izšķīdinātas negaistošas vielas nemigrēs kopā ar ūdens tvaikiem, tādējādi panākot barības šķidruma atdalīšanu, koncentrēšanu un attīrīšanu.
Membrānas destilācijas procesa būtība ir siltuma pārneses un masas pārneses process, un membrānas destilācijā siltuma pārnese un masas pārnese notiek vienlaikus.
Liela ātruma gāzes plūsmu caur gāzes fāzes kameru, lai noņemtu piesātināto tvaiku un pēc tam kondensētu, sauc par gāzes slaucīšanas membrānas destilāciju, un metodi tvaika ekstrakcijai no gāzes fāzes kameras caur vakuumu un kondensācijas metodi sauc par vakuumu. membrānas destilācija;
Dzesēšanas ūdens tiešas plūsmas caur tvaika fāzes kameru, lai absorbētu piesātinātu tvaiku, metodi sauc par tiešā kontakta membrānas destilāciju;
Dzesēšanas ūdens izmantošanas metodi caur siltummaiņiem, lai nekavējoties kondensētu piesātināto tvaiku tvaika fāzes kamerā, sauc par gaisa spraugas membrānas destilāciju.
KLASIFIKĀCIJA
Membrānas destilācijas procesā viena membrānas puse ir tiešā saskarē ar padeves šķidrumu, bet otru pusi var iedalīt četrās dažādās formās atbilstoši dažādām kondensācijas metodēm (sk. 1. attēlu): tiešā kontakta membrānas destilācija (DCMD) , gaisa spraugas membrāndestilācija (AGMD), gāzes slaucīšanas membrāndestilācija (SGMD) un vakuuma membrānas destilācija (VMD).
Abas DCMD membrānas puses saskaras attiecīgi ar padeves šķidrumu un cirkulējošo dzesēšanas ūdeni. Tvaika spiediena starpība, ko veido transmembrānas temperatūras starpība, virza visu membrānas atdalīšanas procesu, un caurstrāvotie ūdens tvaiki tiek kondensēti cirkulējošā dzesēšanas ūdenī.
AGMD ir līdzīgs DCMD, bet starp membrānas karsto pusi un cirkulējošo dzesēšanas ūdeni ir pievienota kondensācijas plāksne ar dzesēšanas gaisa spraugu vidū. Pēc tam, kad ūdens tvaiki iziet cauri membrānai, tie tiek kondensēti uz dzesēšanas plāksnes un savākti.
SGMD tieši izmanto sausu gāzi, lai nepārtraukti iztīrītu destilācijas membrānas caurlaidības pusi, un caurstrāvotie ūdens tvaiki tiek izņemti no membrānas destilācijas ierīces un kondensēti un savākti.
VMD izmanto vakuuma sūkni, lai sūknētu caurlaidības pusi, lai izveidotu noteiktu vakuumu, un ūdens tvaiki tiek ekstrahēti un atdzesēti pēc izkļūšanas caur membrānu.
PRIEKŠROCĪBA
(1) Membrānas destilācijas process tiek veikts gandrīz normālā spiedienā, ar vienkāršu aprīkojumu un vienkāršu darbību. To iespējams īstenot arī vietās ar vāju tehnisko spēku;
(2) Negaistoša šķīdināta ūdens šķīduma membrānas destilācijas procesā, jo caur membrānas porām var iziet tikai ūdens tvaiki, destilāts ir ļoti tīrs, un ir paredzams, ka tas kļūs par efektīvu līdzekli liela mēroga un zemu izmaksu pagatavošanai. īpaši tīrs ūdens;
(3) Šis process var apstrādāt ļoti augstas koncentrācijas ūdens šķīdumus. Ja izšķīdinātā viela ir viegli kristalizējama viela, šķīdumu var koncentrēt līdz pārsātinātam stāvoklim un notiks membrānas destilācijas kristalizācija. Tas ir vienīgais membrānas process, kas var tieši atdalīt kristālisko produktu no šķīduma;
(4) Membrānas destilācijas komponentu var viegli izveidot latentā siltuma atgūšanas formā, un tai ir elastība, lai izveidotu liela mēroga ražošanas sistēmu ar efektīvām mazām membrānas sastāvdaļām;
(5) Šajā procesā šķīdums nav jāuzsilda līdz vārīšanās temperatūrai. Kamēr temperatūras starpība starp abām membrānas pusēm tiek uzturēta atbilstoši, procesu var veikt. Ir iespējams izmantot lētu enerģiju, piemēram, saules enerģiju, ģeotermālo enerģiju, karstos avotus, rūpnīcas atkritumu siltumu un siltus rūpnieciskos notekūdeņus.
PIETEIKUMS
1. Naftas ķīmijas notekūdeņi
Tradicionālais naftas ķīmijas notekūdeņu attīrīšanas process - "veco trīs komplektu" process, proti, "eļļas atdalīšana-koagulācija-filtrēšana" vai "eļļas atdalīšana-flotācija-filtrēšana", ir grūti izpildīt attīrītā ūdens kvalitātes notekūdeņu atkārtotas ievadīšanas standartu. Pašlaik naftas ķīmijas notekūdeņu attīrīšanai ir izmantota reversā osmoze (RO) un uzlabotais oksidācijas process (AOP), bet RO ir augsts enerģijas patēriņš, augstas prasības attiecībā uz ieplūstošā ūdens kvalitāti un zems izejas ūdens atgūšanas ātrums. Fenton pārstāvētajai AOP tehnoloģijai ir nepieciešams pievienot ķīmiskas vielas, kas rada lielu daudzumu dūņu. Salīdzinot ar tradicionālo atsāļošanas tehnoloģiju, membrānas destilācija var attīrīt notekūdeņus ar TDS līdz 350,{6}} mg/L, var darboties ar zemāku spiedienu un labāk pielāgoties naftas ķīmijas notekūdeņiem.
Zināms inženierijas pielietojums parāda, ka DCMD atsāļošanas ātrums, apstrādājot ļoti mineralizētus naftas ķīmijas notekūdeņus, ir pat 99%, un tas var efektīvi noņemt citus piesārņotājus, piemēram, organisko oglekli. Tomēr membrānas destilācijai ir augsts enerģijas patēriņš, un tā nav tik ekonomiska kā RO. Salīdzinot ar spiediena vadītām membrānas tehnoloģijām (piemēram, RO), membrānas destilācijai ir mazāka tendence uz mērogošanu, bet membrānas mērogošana un membrānas mitrināšana izraisīs ūdens ražošanas ātruma un ūdens kvalitātes samazināšanos, īpaši augstas reģenerācijas apstākļos. Lai aizkavētu membrānas mitrināšanu, destilācijas membrānu var modificēt, lai uzlabotu membrānas pretapaugšanas un mitrināšanas īpašības.
2. Desulfurizācijas notekūdeņi no ogļu spēkstacijām
Tradicionālās attīrīšanas metodes notekūdeņu atsērošanai ietver fizikālās, ķīmiskās un bioloģiskās metodes. Tostarp SS un smago metālu noņemšanai bieži tiek izmantotas ķīmiskās metodes, taču, ja ūdens kvalitāte un ūdens tilpums ļoti svārstās, šīs metodes noņemšanas efektivitāte nav augsta, un Cl un F- nevar efektīvi noņemt. Ja flokulāciju izmanto, lai noņemtu SS un metāla nogulsnes, atdalīšanas ātrums ir lēns, jo metāla nogulsnes bieži ir submikronu vai nanometru lielumā. Notekūdeņu attīrīšanai sēra attīrīšanā ir izmantotas tādas membrānas tehnoloģijas kā mikrofiltrācija (MF) un ultrafiltrācija (UF), taču attīrītos notekūdeņus nevar tieši novadīt vai atkārtoti izmantot to augstās TDS koncentrācijas dēļ. Membrānas destilācijai nav nepieciešama augsta ieplūstošā ūdens kvalitāte, un tā var efektīvi attīrīt augstas koncentrācijas sāli saturošus notekūdeņus. Tai ir pievērsta arvien lielāka uzmanība notekūdeņu atsērošanas attīrīšanas jomā.
Izmantojot membrānas destilācijas tehnoloģiju desulfurizācijas notekūdeņu attīrīšanai, var iegūt augstas kvalitātes izvadīto ūdeni. Tomēr, tā kā notekūdeņos ir zemas virsmas enerģijas piesārņotāji, ir viegli izraisīt membrānas mitrināšanu un piesārņojumu, kas novedīs pie notekūdeņu kvalitātes pasliktināšanās, saīsinās membrānas kalpošanas laiku un palielinās attīrīšanas izmaksas.
Pēdējos gados, reaģējot uz membrānu piesārņojuma un membrānas mitrināšanas problēmām, kombinētajiem procesiem ir pievērsta īpaša uzmanība. Pētījumos atklāts, ka membrānas destilācijas savienošanai ar citiem procesiem (piemēram, FO-MD) ir labāki apstrādes efekti nekā vienas membrānas destilācijas tehnoloģijai, un tā var efektīvi palēnināt membrānas piesārņojumu un mitrināšanu, kā arī palielināt membrānas kalpošanas laiku. Pētījumi ir parādījuši, ka, apvienojot kaļķu magnētisko koagulāciju un membrānas destilāciju notekūdeņu attīrīšanai sēra attīrīšanā, var iegūt augstas kvalitātes izvadīto ūdeni, un membrāna neuzrāda membrānas mitrināšanu ilgstošas darbības laikā.
3. Radioaktīvie notekūdeņi
Pašlaik manā valstī galvenais radioaktīvo notekūdeņu attīrīšanas process ir flokulācijas nokrišņu-iztvaikošanas-jonu apmaiņa, kurā flokulācijas nokrišņi un jonu apmaiņa radīs lielu skaitu sekundāro piesārņotāju, un iztvaikošanas koncentrācijas enerģijas patēriņš ir pārāk augsts. Pētījumi ir parādījuši, ka ar spiedienu darbināmas membrānu tehnoloģijas, piemēram, RO, var efektīvi atdalīt radioaktīvās vielas, bet RO atdalīšanas efektivitāte boram ir tikai 40% līdz 80%. Lai gan borskābes noņemšanas ātrumu var palielināt, pielāgojot pH, borskābes bufera efekta dēļ, lai palielinātu bora sāļumu, ir nepieciešams pievienot lielu daudzumu sārmu, lai palielinātu bora sāļumu, tādējādi samazinot RO ūdens izvadi.
Lai notekūdeņos atdalītu mazo jonu radioaktīvos izotopus, ir nepieciešams apvienot spiediena vadītu membrānu tehnoloģiju ar ķīmisko kompleksu veidošanu. Galvenais ir kompleksveidotāja reģenerācija, un ir nepieciešama papildu filtrēšana. Kad membrānas destilācija apstrādā radioaktīvos notekūdeņus, osmotiskais spiediens un koncentrācijas polarizācija maz ietekmē membrānas plūsmu, un tā var darboties ar augstu sāļumu.
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). Turklāt borskābes šķīdība būtiski mainās līdz ar temperatūru. Membrānas destilācijas kristalizācija (VMDC) var pilnībā izmantot šo funkciju, lai koncentrētu borskābi notekūdeņos.
Destilācijas membrānas un radioaktīvo vielu saskare var viegli iznīcināt membrānas stabilitāti un pat izraisīt membrānas noārdīšanos. Tāpēc destilācijas membrānai jābūt pietiekamai pretestībai pret radiāciju. Pētījumi ir parādījuši, ka membrānas fluorēšanas modifikācija var uzlabot membrānas starojuma izturību.
4. Koksēšanas notekūdeņi
Koksēšanas notekūdeņiem ir asa smaka, un tie satur lielu skaitu toksisku un grūti noārdāmu piesārņotāju. Tradicionālās apstrādes tehnoloģijas galvenokārt ietver fizikālās un ķīmiskās apstrādes metodes, piemēram, fenola savienojumu ekstrakciju ar šķīdinātāju un amonjaka atdalīšanu, kā arī bioloģiskās apstrādes metodes, piemēram, aktīvo dūņu metodi. Tomēr attīrītie notekūdeņi joprojām satur lielu daudzumu sāls un bioloģiski noārdāmu savienojumu, piemēram, policikliskos aromātiskos ogļūdeņražus un heterocikliskos savienojumus.
Pēc pirmapstrādes procesiem, piemēram, eļļas noņemšanas un amonjaka destilācijas, koksēšanas notekūdeņi joprojām var uzturēt aptuveni 50 grādu temperatūru, kas nodrošina labvēlīgus apstākļus membrānas destilācijai, lai koksēšanas notekūdeņu attīrīšanai izmantotu rūpniecisko atkritumu siltumu. Pēdējos gados membrānas destilācijas tehnoloģijas izmantošana koksēšanas notekūdeņu attīrīšanā pakāpeniski ir kļuvusi par pētniecības karsto punktu. Pētījumu rezultāti liecina, ka membrānas destilācijai ir augsta negaistošo vielu atdalīšanas efektivitāte, un piesārņojošo vielu izvadīšanas ātrums notekūdeņos pārsvarā pārsniedz 98%.
Tomēr hidrofobie piesārņotāji notekūdeņos, piemēram, aromātiskie ogļūdeņraži un heterocikliskie savienojumi, uzrāda spēcīgu afinitāti pret hidrofobām membrānām, kas var viegli izraisīt membrānas mitrināšanu un membrānas piesārņojumu. Membrānas pretapaugšanas un mitrināšanas īpašības var uzlabot, iepriekš attīrot notekūdeņus vai pārveidojot membrānu.
5. Farmaceitiskie notekūdeņi
Membrānas tehnoloģijā RO ir laba attīrīšanas ietekme uz farmaceitiskajiem notekūdeņiem, bet enerģijas patēriņš ir augsts, un RO ir slikta attīrīšanas ietekme uz zemas molekulas neitrāliem savienojumiem, piemēram, N-nitrozodimetilamīnu (NDMA). Pēdējos gados farmaceitisko notekūdeņu attīrīšanai pakāpeniski tiek izmantota membrānas destilācijas tehnoloģija. Literatūrā farmaceitiskajai notekūdeņu attīrīšanai tiek izmantota membrānas destilācija, un tādu zāļu kā antibiotiku un fenola savienojumu izvadīšanas ātrums notekūdeņos var sasniegt pat 99%. Tomēr notekūdeņos esošās hidrofobās vielas ir viegli mērogojamas uz membrānas virsmas, samazinot membrānas plūsmu. Notekūdeņu iepriekšēja attīrīšana, piemēram, flokulācija un nokrišņi, apvienojumā ar membrānas destilāciju, var efektīvi mazināt membrānas zvīņošanos un uzlabot zāļu izvadīšanas ātrumu farmaceitiskajos notekūdeņos. Turklāt, apvienojot citus procesus ar membrānas destilāciju (piemēram, MBR-MD savienojuma procesu), notekūdeņos var efektīvi noņemt zāļu pēdas.
PROSPEKTS
Membrānas destilācijas tehnoloģija pēdējos gados ir strauji attīstījusies, un to sāk izmantot tādu tipisku rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanai kā naftas ķīmijas notekūdeņi, atsērošanas notekūdeņi un koksēšanas notekūdeņi, taču tā saskaras ar daudzām problēmām, piemēram, zemu siltuma izmantošanas līmeni, augstām membrānas izmaksām, membrānu piesārņojumu un mitrināšana.
Ir nepieciešami turpmāki pētījumi no šādiem aspektiem:
① Samazināt membrānas destilācijas sistēmas enerģijas patēriņu, uzlabot siltuma izmantošanas efektivitāti un turpināt pētījumus par saules enerģiju, ģeotermālo un citām savienojuma tehnoloģijām ar membrānas destilāciju;
② Izstrādāt jaunus membrānas materiālus, izstrādāt daudzveidīgas membrānas sastāvdaļas un uzlabot membrānas plūsmu;
③ Par veidošanās mehānismu un membrānas mērogošanas profilaktiskajiem pasākumiem var padziļināti apspriest piesārņojuma īpašību, membrānas īpašību, darbības vides un materiālu īpašību ietekmi uz piesārņojuma veidošanās mehānismu;
④ Pašlaik ir maz pētījumu par membrānas destilācijas dzīves cikla novērtējumu.
Tāpēc arī membrānas destilācijas sistēmas dzīves cikla novērtējuma veikšana ir viens no nākotnes pētniecības virzieniem.