Tehniline taust
Viimastel aastatel on veepuudus ja reostus olnud suured probleemid, mis kimbutavad inimühiskonna arengut. Veekriisi lahendamise võti on see, kuidas kasutada tõhusat veepuhastustehnoloogiat mere- ja riimveest magevee saamiseks ning tööstusliku reovee taaskasutamiseks.
Tõhusa veetöötlustehnoloogiana on membraanide eraldamise tehnoloogial kõrge efektiivsuse, pideva töö ja tugeva juhitavuse omadused ning seda kasutatakse laialdaselt merevee magestamise ja tööstusliku reovee puhastamise valdkonnas.
Siiski on sellistel tehnoloogiatel nagu elektrodialüüs (elektrodialüüs) ja pöördosmoos (RO) membraanide eraldamise tehnoloogias endiselt probleeme, nagu madal termiline kasutusmäär, suur energiatarbimine, kõrge töörõhk ja sekundaarne saaste. Seetõttu on uued membraanide eraldamise tehnoloogiad pälvinud laialdast tähelepanu.
ÜLEVAADE
Membraandestillatsioonitehnoloogia (MD) on madala temperatuuriga termilise membraani eraldamise tehnoloogia, mis on välja töötatud pöördosmoosi membraani magestamise väljatöötamisega. Uut tüüpi soojuspõhise membraanitehnoloogiana on sellel head rakendusväljavaated tööstusliku reoveepuhastuse valdkonnas tänu oma leebetele töötingimustele, kõrgele veetootmiskiirusele, heale eraldusvõimele ja tööstusliku heitsoojuse kasutamisele. Samal ajal ei nõua membraandestilleerimine traditsiooniliste survepõhiste membraanitehnoloogiatega, nagu nanofiltratsioon ja pöördosmoos, toorvee kõrget kvaliteeti. Kõrge kontsentratsiooniga ja raskesti laguneva reovee puhastamisel saab kvaliteetset väljundvett, mida on kasutatud tüüpilise tööstusliku reovee puhastamiseks.
PÕHIMÕTE
Membraandestillatsiooni võib lihtsalt pidada membraani eraldamise ja destilleerimise tehnoloogia kombinatsiooniks. See on eraldusprotsess, mille käigus kasutatakse eralduskeskkonnana hüdrofoobset mikropoorset membraani ja liikumapanevaks jõuks on aururõhu erinevus membraani mõlemal küljel. Membraani üks külg on otseses kontaktis toorvedelikuga. Membraani mõlema külje temperatuurierinevuse kaudu tekib hüdrofoobse membraani pooride pinnale gaasi-vedeliku liides. Vedel vesi aurustub auruks ja läbib membraani poorid, kondenseerudes teisel pool membraani destilleeritud veeks. Vees lahustunud mittelenduvad ained ei migreeru koos veeauruga, saavutades seeläbi toitevedeliku eraldamise, kontsentreerimise ja puhastamise.
Membraandestillatsiooni protsessi olemus on soojusülekande ja massiülekande protsess ning membraandestilleerimisel toimuvad soojusülekanne ja massiülekanne üheaegselt.
Meetodit, mille käigus gaas voolab läbi gaasifaasikambri suure kiirusega, et eemaldada küllastunud aur ja seejärel kondenseeruda, nimetatakse gaasipühkimismembraandestillatsiooniks ning meetodit gaasifaasikambrist auru vaakumi kaudu eraldamiseks ja selle kondenseerimiseks nimetatakse vaakumiks. membraandestilleerimine;
Jahutusvee otsevoolu läbi aurufaasikambri, et absorbeerida küllastunud auru, nimetatakse otsekontaktiga membraandestilleerimiseks;
Jahutusvee kasutamist soojusvahetite kaudu aurufaasikambris oleva küllastunud auru koheseks kondenseerimiseks nimetatakse õhupilu membraandestillatsiooniks.
KLASSIFITSEERIMINE
Membraandestillatsiooni käigus on membraani üks külg otseses kontaktis toitevedelikuga ja teise külje saab vastavalt erinevatele kondensatsioonimeetoditele jagada neljaks erinevaks vormiks (vt joonis 1): otsekontaktiga membraandestillatsioon (DCMD) , õhuvahe membraandestillatsiooni (AGMD), gaasipühkimismembraandestillatsiooni (SGMD) ja vaakummembraandestillatsiooni (VMD).
DCMD membraani kaks külge puutuvad kokku toitevedeliku ja ringleva jahutusveega. Transmembraansest temperatuurierinevusest tekkiv aururõhu erinevus juhib kogu membraani eraldusprotsessi ja läbi imbunud veeaur kondenseerub ringlevas jahutusvees.
AGMD on sarnane DCMD-ga, kuid membraani kuuma poole ja ringleva jahutusvee vahele on lisatud kondensatsiooniplaat, mille keskel on jahutusõhupilu. Pärast seda, kui veeaur läbib membraani, kondenseeritakse see jahutusplaadile ja kogutakse kokku.
SGMD kasutab destilleerimismembraani läbilaskvuskülje pidevaks puhastamiseks otse kuiva gaasi ning läbi imbunud veeaur eemaldatakse membraandestillatsiooniseadmest ning kondenseeritakse ja kogutakse.
VMD kasutab läbilaskekülje pumpamiseks vaakumpumpa, et moodustada teatud vaakum, ning veeaur ekstraheeritakse ja jahutatakse pärast membraani läbimist.
EELIS
(1) Membraandestillatsiooniprotsess viiakse läbi peaaegu normaalrõhul, lihtsate seadmete ja hõlpsa tööga. Võimalik rakendada ka nõrga tehnilise tugevusega piirkondades;
(2) Mittelenduvate lahustunud ainete vesilahuse membraandestilleerimisprotsessis, kuna membraani pooridest võib läbida ainult veeaur, on destillaat väga puhas, millest eeldatavasti saab tõhus vahend suuremahuliseks ja odavaks valmistamiseks. ülipuhast veest;
(3) Selle protsessiga saab töödelda väga kõrge kontsentratsiooniga vesilahuseid. Kui lahustunud aine on kergesti kristalliseeritav aine, võib lahuse kontsentreerida üleküllastunud olekusse ja toimub membraandestillatsiooniga kristalliseerumine. See on ainus membraaniprotsess, mis suudab kristalse produkti lahusest otse eraldada;
(4) Membraandestillatsioonikomponenti saab hõlpsasti kujundada varjatud soojustagastusvormiks ja sellel on paindlikkus, et moodustada tõhusate väikeste membraanikomponentidega suuremahuline tootmissüsteem;
(5) Selles protsessis ei ole vaja lahust kuumutada keemistemperatuurini. Protsessi saab läbi viia seni, kuni membraani kahe külje temperatuuride erinevust hoitakse nõuetekohaselt. Võimalik on kasutada odavat energiat nagu päikeseenergia, maasoojusenergia, kuumaveeallikad, tehase heitsoojus ja soe tööstusreovesi.
RAKENDUS
1. Naftakeemia reovesi
Traditsiooniline naftakeemia reoveepuhastusprotsess - "vana kolme komplekti" protsess, nimelt "õli eraldamine-koagulatsioon-filtreerimine" või "õli eraldamine-floteerimine-filtreerimine" on raskesti vastav puhastatud vee kvaliteedi reovee sissepritse standardile. Praegu on naftakeemia reovee puhastamiseks kasutatud pöördosmoosi (RO) ja täiustatud oksüdatsiooniprotsessi (AOP), kuid RO-l on suur energiatarbimine, kõrged nõuded sissevooluvee kvaliteedile ja madal väljundvee taaskasutamise määr. Fentoni esindatud AOP-tehnoloogia nõuab kemikaalide lisamist, mis tekitab suures koguses muda. Võrreldes traditsioonilise magestamistehnoloogiaga saab membraandestillatsiooniga puhastada reovett TDS-ga kuni 350,000 mg/L, töötada madalamal rõhul ja paremini kohaneda naftakeemia reoveega.
Teatud insenerirakendus näitab, et DCMD magestamise määr kõrge mineraliseerunud naftakeemia reovee töötlemisel on kuni 99% ja see võib tõhusalt eemaldada muid saasteaineid, nagu orgaaniline süsinik. Membraandestilleerimisel on aga suur energiatarve ja see ei ole nii ökonoomne kui RO. Võrreldes rõhupõhiste membraanitehnoloogiatega (nagu RO) on membraandestilleerimisel väiksem kalduvus katlakivi tekkeks, kuid membraani katlakivi ja membraani niisutamine põhjustavad vee tootmise kiiruse ja vee kvaliteedi langust, eriti kõrge taastumisvõime tingimustes. Membraani märgumise edasilükkamiseks saab destilleerimismembraani modifitseerida, et parandada membraani saastumis- ja märgumisvastaseid omadusi.
2. Söeküttel töötavate elektrijaamade väävlitustamise reovesi
Reovee väävlitustamise tavapärased puhastusmeetodid hõlmavad füüsikalisi, keemilisi ja bioloogilisi meetodeid. Nende hulgas kasutatakse SS-i ja raskmetallide eemaldamiseks sageli keemilisi meetodeid, kuid kui vee kvaliteet ja veekogus on väga kõikuvad, ei ole selle meetodi eemaldamise efektiivsus kõrge ning Cl ja F- ei saa tõhusalt eemaldada. Kui SS ja metallisademete eemaldamiseks kasutatakse flokulatsiooni, on eraldumise kiirus aeglane, kuna metallisademed on sageli submikroni või nanomeetri suurused. Väävli eemaldamise reovee puhastamiseks on kasutatud membraanitehnoloogiaid nagu mikrofiltreerimine (MF) ja ultrafiltration (UF), kuid puhastatud reovett ei saa selle kõrge TDS-i kontsentratsiooni tõttu otse ära juhtida ega taaskasutada. Membraandestilleerimine ei nõua kõrgekvaliteedilist sissevooluvett ja võib tõhusalt puhastada kõrge kontsentratsiooniga soola sisaldavat reovett. See on pälvinud järjest suuremat tähelepanu reovee väävlitustamise valdkonnas.
Membraandestillatsioonitehnoloogia kasutamine väävlitustamise reovee töötlemiseks võib saada kvaliteetset väljundvett. Madala pinnaenergia saasteainete sisalduse tõttu reovees on aga lihtne põhjustada membraani märgumist ja saastumist, mis toob kaasa heitvee kvaliteedi halvenemise, membraani kasutusea lühenemise ja puhastuskulude suurenemise.
Viimastel aastatel on membraanide saastumise ja membraani märgumise probleemide lahendamisel erilist tähelepanu pööratud kombineeritud protsessidele. Uuringud on leidnud, et membraandestilleerimise ühendamisel teiste protsessidega (nt FO-MD) on parem raviefekt kui ühe membraani destilleerimise tehnoloogial ning see võib tõhusalt aeglustada membraani saastumist ja märgumist ning pikendada membraani kasutusiga. Uuringud on näidanud, et lubja magnetkoagulatsiooni ja membraandestilleerimise kombineerimine reovee puhastamiseks väävli eemaldamiseks võimaldab saada kvaliteetset väljundvett ja membraan ei näita pikaajalisel kasutamisel membraani märgumist.
3. Radioaktiivne reovesi
Praegu on minu kodumaal peamine radioaktiivne reoveepuhastusprotsess flokulatsioonisademete-aurustamise-ioonivahetus, mille käigus flokulatsioonisademed ja ioonivahetus toodavad palju sekundaarseid saasteaineid ning aurustumiskontsentratsiooni energiatarve on liiga suur. Uuringud on näidanud, et rõhupõhised membraanitehnoloogiad, nagu RO, suudavad tõhusalt eraldada radioaktiivseid aineid, kuid boori puhul on RO eemaldamise efektiivsus vaid 40–80%. Kuigi boorhappe eemaldamise kiirust saab pH reguleerimisega suurendada, tuleb boorhappe puhverdava toime tõttu boori soolsuse suurendamiseks reguleerimiseks lisada suures koguses leelist, vähendades seeläbi RO vee väljundit.
Väikeste ioonide radioaktiivsete isotoopide eemaldamiseks reoveest on vaja kombineerida surveajamiga membraantehnoloogiat keemilise kompleksi moodustamisega. Võti seisneb kompleksimoodustava aine regenereerimises ja vaja on täiendavat filtreerimist. Kui membraandestillatsiooniga töödeldakse radioaktiivset reovett, on osmootsel rõhul ja kontsentratsioonipolarisatsioonil membraanivoolule vähe mõju ning see võib töötada kõrge soolsusega.
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). Lisaks muutub boorhappe lahustuvus temperatuuriga oluliselt. Membraandestillatsioonikristallimise (VMDC) abil saab seda funktsiooni täielikult ära kasutada boorhappe kontsentreerimiseks reovees.
Destillatsioonimembraani ja radioaktiivsete ainete vaheline kokkupuude võib kergesti hävitada membraani stabiilsuse ja isegi põhjustada membraani lagunemist. Seetõttu peaks destilleerimismembraanil olema piisav kiirguskindlus. Uuringud on näidanud, et membraani fluorimisega modifitseerimine võib parandada membraani kiirguskindlust.
4. Koksimisreovesi
Koksimisreovesi on terava lõhnaga ning sisaldab suurel hulgal mürgiseid ja raskesti lagunevaid saasteaineid. Traditsioonilised puhastustehnoloogiad hõlmavad peamiselt füüsikalisi ja keemilisi töötlemismeetodeid, nagu fenoolühendite lahustiga ekstraheerimine ja ammoniaagi eemaldamine, aga ka bioloogilisi puhastusmeetodeid, näiteks aktiivmuda meetodit. Puhastatud reovesi sisaldab aga endiselt suures koguses soola ja biolagunevaid ühendeid, nagu polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud ja heterotsüklilised ühendid.
Pärast eeltöötlusprotsesse, nagu õli eemaldamine ja ammoniaagi destilleerimine, suudab koksimise reovesi säilitada temperatuuri umbes 50 kraadi, mis loob soodsad tingimused membraandestilleerimiseks, et kasutada koksireovee töötlemiseks tööstuslikku heitsoojust. Viimastel aastatel on membraandestilleerimise tehnoloogia rakendamine reovee koksipuhastamisel järk-järgult muutunud uurimistööks. Uuringutulemused näitavad, et membraandestilleerimisel on kõrge mittelenduvate ainete eemaldamise efektiivsus ning saasteainete eemaldamise määr reovees on enamasti üle 98%.
Kuid reovees leiduvad hüdrofoobsed saasteained, nagu aromaatsed süsivesinikud ja heterotsüklilised ühendid, näitavad tugevat afiinsust hüdrofoobsete membraanide suhtes, mis võib kergesti põhjustada membraani märgumist ja membraani saastumist. Membraani saastumis- ja märgumisvastaseid omadusi saab parandada reovee eeltöötluse või membraani modifitseerimisega.
5. Farmaatsia reovesi
Membraanitehnoloogias on RO-l hea puhastusefekt farmaatsiareoveele, kuid energiatarve on suur ja RO-l on halb puhastusefekt madala molekulmassiga neutraalsetele ühenditele, nagu N-nitrosodimetüülamiin (NDMA). Viimastel aastatel on farmaatsiareovee puhastamiseks järk-järgult hakatud kasutama membraandestillatsiooni tehnoloogiat. Kirjanduses kasutatakse farmatseutilise reovee puhastamiseks membraandestilleerimist ning ravimite, näiteks antibiootikumide ja fenoolsete ühendite eemaldamise määr reovees võib ulatuda 99%-ni. Reovees leiduvaid hüdrofoobseid aineid on aga lihtne membraani pinnal skaleerida, vähendades membraani voogu. Reovee eelpuhastus, nagu flokulatsioon ja sadestamine, kombineerituna membraandestilleerimisega võib tõhusalt leevendada membraani katlakivi teket ja parandada ravimite eemaldamise kiirust farmaatsiareoveest. Lisaks võib teiste protsesside kombineerimine membraandestilleerimisega (nt MBR-MD sidestusprotsess) tõhusalt eemaldada reoveest jäävaid ravimeid.
PROSPEKTSIOON
Membraani destilleerimise tehnoloogia on viimastel aastatel kiiresti arenenud ja seda on hakatud kasutama tüüpiliste tööstuslike reovete, nagu naftakeemia reovesi, väävlitustamise reovesi ja koksistamise reovesi, puhastamiseks, kuid see seisab silmitsi paljude probleemidega, nagu madal soojuse kasutusmäär, kõrge membraanikulu, membraanireostus ja niisutamine.
Täiendavad uuringud on vajalikud järgmistest aspektidest:
① Vähendage membraandestillatsioonisüsteemi energiatarbimist, parandage soojuse kasutamise efektiivsust ja jätkake päikeseenergia, geotermiliste ja muude membraandestillatsiooniga sidumistehnoloogiate uurimist;
② Uute membraanimaterjalide väljatöötamine, mitmekesiste membraanikomponentide kavandamine ja membraani voolu parandamine;
③ Membraani skaleerimise moodustumise mehhanismi ja ennetavate meetmete puhul saab põhjalikult arutada saastumise omaduste, membraani omaduste, töökeskkonna ja materjali omaduste mõju saastumise tekkemehhanismile;
④ Membraandestilleerimise elutsükli hindamise kohta on praegu vähe uuringuid.
Seetõttu on membraandestillatsioonisüsteemi elutsükli hindamise läbiviimine ka üks tuleviku uurimissuundi.