Tehnično ozadje
V zadnjih letih sta pomanjkanje vode in onesnaženje glavni problem, ki pestita razvoj človeške družbe. Kako uporabiti učinkovito tehnologijo čiščenja vode za pridobivanje sladke vode iz morske in somornice ter za recikliranje industrijske odpadne vode, je ključ do rešitve vodne krize.
Kot učinkovita tehnologija za čiščenje vode ima tehnologija membranskega ločevanja značilnosti visoke učinkovitosti, neprekinjenega delovanja in močnega nadzora ter se pogosto uporablja na področju razsoljevanja morske vode in čiščenja industrijske odpadne vode.
Vendar imajo tehnologije, kot sta elektrodializa (elektrodializa) in reverzna osmoza (RO) v tehnologiji membranskega ločevanja, še vedno težave, kot so nizka stopnja toplotnega izkoristka, visoka poraba energije, visok delovni tlak in sekundarno onesnaženje. Zato so nove tehnologije ločevanja membran prejele široko pozornost.
PREGLED
Tehnologija membranske destilacije (MD) je tehnologija ločevanja s toplotno membrano pri nizkih temperaturah, razvita z razvojem membranskega razsoljevanja z reverzno osmozo. Kot nova vrsta toplotno vodene membranske tehnologije ima dobre možnosti za uporabo na področju čiščenja industrijske odpadne vode zaradi blagih delovnih pogojev, visoke stopnje proizvodnje vode, dobre učinkovitosti ločevanja in uporabe industrijske odpadne toplote. Hkrati v primerjavi s tradicionalnimi membranskimi tehnologijami, ki jih poganja tlak, kot sta nanofiltracija in reverzna osmoza, membranska destilacija ne zahteva visoke kakovosti surove vode. Pri čiščenju visokokoncentrirane in težko razgradljive odpadne vode lahko pridobimo visoko kakovostno izhodno vodo, ki se uporablja za čiščenje tipične industrijske odpadne vode.
NAČELO
Membransko destilacijo lahko preprosto razumemo kot kombinacijo tehnologije membranskega ločevanja in destilacije. Gre za postopek ločevanja, ki kot ločevalni medij uporablja hidrofobno mikroporozno membrano in kot gonilno silo uporablja razliko parnega tlaka na obeh straneh membrane. Ena stran membrane je v neposrednem stiku s surovo tekočino. Zaradi temperaturne razlike na obeh straneh membrane se na površini por hidrofobne membrane oblikuje vmesnik plin-tekočina. Tekoča voda izhlapi v paro in prehaja skozi membranske pore ter kondenzira v destilirano vodo na drugi strani membrane. Nehlapne snovi, raztopljene v vodi, ne bodo migrirale z vodno paro, s čimer se doseže ločevanje, koncentracija in čiščenje dovodne tekočine.
Bistvo procesa membranske destilacije je proces prenosa toplote in mase, pri membranski destilaciji pa potekata prenos toplote in prenos mase hkrati.
Metoda hitrega pretakanja plina skozi komoro s plinsko fazo, da se odvzame nasičena para in nato kondenzira, se imenuje membranska destilacija s pometanjem plina, metoda ekstrakcije pare iz komore s plinsko fazo skozi vakuum in njeno kondenzacijo pa se imenuje vakuum. membranska destilacija;
Metoda neposrednega pretakanja hladilne vode skozi komoro za parno fazo, da absorbira nasičeno paro, se imenuje membranska destilacija z neposrednim kontaktom;
Metoda uporabe hladilne vode skozi toplotne izmenjevalnike za takojšnjo kondenzacijo nasičene pare v komori s parno fazo se imenuje destilacija z zračno režo membrane.
RAZVRSTITE
Med postopkom membranske destilacije je ena stran membrane v neposrednem stiku z dovodno tekočino, drugo stran pa lahko glede na različne metode kondenzacije razdelimo na štiri različne oblike (glej sliko 1): membranska destilacija z neposrednim kontaktom (DCMD) , membranska destilacija z zračno režo (AGMD), membranska destilacija s pometanjem plina (SGMD) in vakuumska membranska destilacija (VMD).
Obe strani membrane DCMD sta v stiku z dovodno tekočino oziroma krožečo hladilno vodo. Razlika v parnem tlaku, ki jo tvori transmembranska temperaturna razlika, poganja celoten proces ločevanja membrane, prežeta vodna para pa se kondenzira v krožeči hladilni vodi.
AGMD je podoben DCMD, vendar je med vročo stranjo membrane in krožečo hladilno vodo dodana kondenzacijska plošča z režo za hladilni zrak na sredini. Ko vodna para preide skozi membrano, se kondenzira na hladilni plošči in zbira.
SGMD neposredno uporablja suh plin za neprekinjeno čiščenje prepustne strani destilacijske membrane, prežeta vodna para pa se vzame iz membranske destilacijske naprave ter kondenzira in zbira.
VMD uporablja vakuumsko črpalko za črpanje prepustne strani, da se ustvari določen vakuum, vodna para pa se ekstrahira in ohladi po prehodu skozi membrano.
PREDNOST
(1) Postopek membranske destilacije se izvaja skoraj pri normalnem tlaku, s preprosto opremo in enostavnim upravljanjem. Možna je tudi izvedba na območjih s šibko tehnično močjo;
(2) V procesu membranske destilacije nehlapne vodne raztopine topljenca, ker lahko samo vodna para prehaja skozi membranske pore, je destilat zelo čist, kar naj bi postalo učinkovito sredstvo za obsežno in poceni pripravo ultra čista voda;
(3) Ta postopek lahko obdela vodne raztopine z izjemno visoko koncentracijo. Če je topljenec snov, ki jo je enostavno kristalizirati, lahko raztopino koncentriramo do prenasičenega stanja in pride do membranske destilacijske kristalizacije. To je edini membranski proces, ki lahko neposredno loči kristalni produkt od raztopine;
(4) Membransko destilacijsko komponento je mogoče preprosto oblikovati v obliko rekuperacije latentne toplote in ima prilagodljivost za oblikovanje obsežnega proizvodnega sistema z učinkovitimi majhnimi membranskimi komponentami;
(5) Pri tem postopku raztopine ni treba segrevati do vrelišča. Dokler se vzdržuje ustrezna temperaturna razlika med obema stranema membrane, se postopek lahko izvaja. Možno je uporabiti poceni energijo, kot je sončna energija, geotermalna energija, topli vrelci, tovarniška odpadna toplota in topla industrijska odpadna voda.
APLIKACIJA
1. Petrokemična odpadna voda
Tradicionalni petrokemični postopek čiščenja odpadne vode - postopek "starih treh sklopov", in sicer "ločevanje olja-koagulacija-filtracija" ali "ločevanje olja-flotacija-filtracija", je težko izpolniti standard ponovnega vbrizgavanja odplak za kakovost obdelane vode. Trenutno se za petrokemično čiščenje odpadne vode uporabljata reverzna osmoza (RO) in napredni oksidacijski postopek (AOP), vendar ima RO visoko porabo energije, visoke zahteve glede kakovosti vtočne vode in nizko stopnjo rekuperacije izhodne vode. Tehnologija AOP, ki jo predstavlja Fenton, zahteva dodajanje kemikalij, kar proizvaja veliko količino blata. V primerjavi s tradicionalno tehnologijo razsoljevanja lahko membranska destilacija očisti odpadno vodo s TDS do 350,000 mg/L, lahko deluje pri nižjem tlaku in ima boljšo prilagodljivost petrokemični odpadni vodi.
Določena inženirska uporaba kaže, da je stopnja razsoljevanja DCMD pri čiščenju visoko mineralizirane petrokemične odpadne vode kar 99 % in lahko učinkovito odstrani druga onesnaževala, kot je organski ogljik. Vendar ima membranska destilacija veliko porabo energije in ni tako ekonomična kot RO. V primerjavi s tlačno vodenimi membranskimi tehnologijami (kot je RO) ima membranska destilacija manjšo nagnjenost k skaliranju, vendar bosta membranska luščenje in vlaženje membrane povzročila zmanjšanje stopnje proizvodnje vode in kakovosti vode, zlasti v pogojih visoke predelave. Za odložitev vlaženja membrane je mogoče destilacijsko membrano spremeniti tako, da izboljša lastnosti membrane proti obraščanju in vlaženju.
2. Razžveplana odpadna voda iz elektrarn na premog
Konvencionalne metode čiščenja odpadne vode vključujejo fizikalne, kemične in biološke metode. Med njimi se pogosto uporabljajo kemične metode za odstranjevanje SS in težkih kovin, vendar ko kakovost vode in volumen vode močno nihata, učinkovitost odstranjevanja te metode ni visoka, Cl in F- pa ni mogoče učinkovito odstraniti. Ko se flokulacija uporablja za odstranjevanje SS in kovinskih oborin, je hitrost ločevanja počasna, ker so kovinske oborine pogosto submikronske ali nanometrske velikosti. Membranske tehnologije, kot sta mikrofiltracija (MF) in ultrafiltracija (UF), so bile uporabljene za razžveplano čiščenje odpadne vode, vendar očiščene odpadne vode ni mogoče neposredno izpustiti ali ponovno uporabiti zaradi visoke koncentracije TDS. Membranska destilacija ne zahteva visoke kakovosti vstopne vode in lahko učinkovito čisti odpadno vodo z visoko koncentracijo soli. Vse večjo pozornost je dobil na področju čiščenja odpadne vode z razžveplanjem.
Z uporabo tehnologije membranske destilacije za obdelavo odpadne vode zaradi razžveplanja lahko pridobimo visokokakovostno izhodno vodo. Vendar pa je zaradi prisotnosti onesnaževal z nizko površinsko energijo v odpadni vodi enostavno povzročiti omočenje in kontaminacijo membrane, kar bo povzročilo poslabšanje kakovosti odpadne vode, skrajšalo življenjsko dobo membrane in povečalo stroške čiščenja.
V zadnjih letih so kot odgovor na težave membranske kontaminacije in vlaženja membrane kombinirani procesi prejeli posebno pozornost. Študije so pokazale, da ima spajanje membranske destilacije z drugimi postopki (kot je FO-MD) boljše učinke obdelave kot tehnologija destilacije z enojno membrano in lahko učinkovito upočasni kontaminacijo in vlaženje membrane ter podaljša življenjsko dobo membrane. Študije so pokazale, da lahko kombinacija magnetne koagulacije z apnom in membranske destilacije za razžveplano obdelavo odpadne vode pridobi visokokakovostno izhodno vodo, membrana pa med dolgotrajnim delovanjem ne kaže močenja membrane.
3. Radioaktivna odpadna voda
Trenutno je glavni postopek čiščenja radioaktivne odpadne vode v moji državi flokulacija padavine-izhlapevanje-ionska izmenjava, pri kateri bosta flokulacija padavine in ionska izmenjava proizvedla veliko število sekundarnih onesnaževal, poraba energije koncentracije izhlapevanja pa je previsoka. Študije so pokazale, da lahko tlačno vodene membranske tehnologije, kot je RO, učinkovito ločujejo radioaktivne snovi, vendar je učinkovitost odstranjevanja RO za bor le 40 % do 80 %. Čeprav je mogoče hitrost odstranitve borove kisline povečati s prilagoditvijo pH, je treba zaradi puferskega učinka borove kisline dodati veliko količino alkalije za prilagoditev, da se poveča slanost bora, s čimer se zmanjša proizvodnja vode RO.
Da bi odstranili majhne ionske radioaktivne izotope v odpadni vodi, je treba kombinirati tlačno vodeno membransko tehnologijo s kemičnim kompleksiranjem. Ključ je v regeneraciji kompleksirnega sredstva, potrebna pa je dodatna filtracija. Ko z membransko destilacijo obdelamo radioaktivno odpadno vodo, imata osmotski tlak in koncentracijska polarizacija majhen učinek na membranski pretok in lahko deluje pri visoki 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>40 g/l). Poleg tega se topnost borove kisline bistveno spreminja s temperaturo. Membranska destilacijska kristalizacija (VMDC) lahko v celoti izkoristi to funkcijo za koncentriranje borove kisline v odpadni vodi.
Stik med destilacijsko membrano in radioaktivnimi snovmi lahko zlahka uniči stabilnost membrane in celo povzroči razgradnjo membrane. Zato mora imeti destilacijska membrana zadostno odpornost proti sevanju. Študije so pokazale, da lahko modifikacija membrane s fluoriranjem izboljša odpornost membrane na sevanje.
4. Odpadne vode pri koksanju
Koksna odpadna voda ima oster vonj in vsebuje veliko število strupenih in težko razgradljivih onesnaževal. Tradicionalne tehnologije čiščenja vključujejo predvsem fizikalne in kemične metode čiščenja, kot je ekstrakcija fenolnih spojin s topilom in odstranjevanje amoniaka, ter biološke metode čiščenja, kot je metoda z aktivnim blatom. Vendar pa očiščena odpadna voda še vedno vsebuje veliko količino soli in biorazgradljivih spojin, kot so policiklični aromatski ogljikovodiki in heterociklične spojine.
Po postopkih predobdelave, kot sta odstranjevanje olja in destilacija amoniaka, lahko odpadna voda za koksanje še vedno vzdržuje temperaturo približno 50 stopinj, kar zagotavlja ugodne pogoje za membransko destilacijo za uporabo industrijske odpadne toplote za obdelavo odpadne vode za koksanje. V zadnjih letih je uporaba tehnologije membranske destilacije za čiščenje odpadne vode pri koksanju postopoma postala žarišče raziskav. Rezultati raziskav kažejo, da ima membranska destilacija visoko učinkovitost odstranjevanja nehlapnih snovi, stopnja odstranjevanja onesnaževal v odpadni vodi pa je večinoma nad 98 %.
Vendar pa hidrofobna onesnaževala v odpadni vodi, kot so aromatski ogljikovodiki in heterociklične spojine, kažejo močno afiniteto do hidrofobnih membran, kar lahko zlahka privede do omočenja membrane in obraščanja membrane. Lastnosti membrane proti obraščanju in močenju je mogoče izboljšati s predhodno obdelavo odpadne vode ali modifikacijo membrane.
5. Farmacevtska odpadna voda
V membranski tehnologiji ima RO dober učinek čiščenja farmacevtske odpadne vode, vendar je poraba energije visoka, RO pa ima slab učinek čiščenja nizkomolekularnih nevtralnih spojin, kot je N-nitrosodimetilamin (NDMA). V zadnjih letih se tehnologija membranske destilacije postopoma uporablja za čiščenje farmacevtske odpadne vode. V literaturi se membranska destilacija uporablja za čiščenje farmacevtske odpadne vode, stopnja odstranitve zdravil, kot so antibiotiki in fenolne spojine, v odpadni vodi pa je lahko celo 99 %. Vendar se hidrofobne snovi v odpadni vodi zlahka naberejo na površini membrane, kar zmanjša pretok membrane. Predhodna obdelava odpadne vode, kot sta flokulacija in obarjanje, v kombinaciji z membransko destilacijo, lahko učinkovito ublaži nastajanje vodnega kamna na membrani in izboljša stopnjo odstranjevanja zdravil v farmacevtski odpadni vodi. Poleg tega lahko kombiniranje drugih postopkov z membransko destilacijo (kot je postopek spajanja MBR-MD) učinkovito odstrani sledove zdravil v odpadni vodi.
PROSPEKT
Tehnologija membranske destilacije se je v zadnjih letih hitro razvila in se je začela uporabljati za čiščenje tipičnih industrijskih odpadnih voda, kot so petrokemične odpadne vode, odpadne vode iz razžveplanja in koksanja, vendar se sooča s številnimi težavami, kot so nizka stopnja izrabe toplote, visoki stroški membran, onesnaženje membran in močenje.
Potrebne so nadaljnje raziskave z naslednjih vidikov:
① Zmanjšati porabo energije membranskega destilacijskega sistema, izboljšati učinkovitost izrabe toplote in nadaljevati raziskave o sončni energiji, geotermalni in drugih tehnologijah spajanja z membransko destilacijo;
② Razviti nove membranske materiale, oblikovati raznolike komponente membrane in izboljšati pretok membrane;
③ Za mehanizem nastajanja in preventivne ukrepe luščenja membrane je mogoče poglobljeno razpravljati o vplivu značilnosti obraščanja, lastnosti membrane, delovnega okolja in značilnosti materiala na mehanizem nastajanja obraščanja;
④ Trenutno je malo raziskav o oceni življenjskega cikla membranske destilacije.
Zato je izvedba ocene življenjskega cikla membranskega destilacijskega sistema tudi ena od prihodnjih raziskovalnih usmeritev.