فناوری تقطیر غشایی

پیشینه فنی

در سال های اخیر، کمبود آب و آلودگی از مشکلات عمده ای بوده است که پیشرفت جامعه بشری را با مشکل مواجه کرده است. نحوه استفاده از فناوری تصفیه آب کارآمد برای به دست آوردن آب شیرین از آب دریا و آب شور و بازیافت فاضلاب صنعتی، کلید حل بحران آب است.

به عنوان یک فناوری تصفیه آب کارآمد ، فناوری جداسازی غشای دارای ویژگی های راندمان بالا ، عملکرد مداوم و کنترل قوی است و به طور گسترده در زمینه های آب شیرین کن آب دریا و تصفیه فاضلاب صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

با این حال ، فن آوری هایی مانند الکترودیالیز (الکترودیالیز) و اسموز معکوس (RO) در فناوری جداسازی غشای هنوز مشکلی از قبیل میزان مصرف حرارتی پایین ، مصرف انرژی بالا ، فشار زیاد کار و آلودگی ثانویه دارند. بنابراین ، فن آوری های جدایی غشای جدید توجه گسترده ای را به خود جلب کرده اند.

نمای کلی

فناوری تقطیر غشایی (MD) یک فناوری جداسازی غشای حرارتی با دمای پایین است که با توسعه نمک‌زدایی غشایی اسمز معکوس توسعه یافته است. به عنوان یک نوع جدید از فناوری غشای گرما محور، به دلیل شرایط عملیاتی ملایم، میزان تولید آب بالا، عملکرد جداسازی خوب و استفاده از گرمای زباله صنعتی، چشم‌انداز کاربردی خوبی در زمینه تصفیه فاضلاب صنعتی دارد. در عین حال، در مقایسه با فناوری‌های سنتی غشایی مبتنی بر فشار مانند نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس، تقطیر غشایی به آب خام با کیفیت بالا نیاز ندارد. هنگام تصفيه فاضلاب با غلظت بالا و تجزيه سخت، آب خروجي با کيفيت بالا بدست مي آيد و از آن براي تصفيه فاضلاب هاي صنعتي معمولي استفاده مي شود.

اصل

تقطیر غشایی را می توان به سادگی ترکیبی از جداسازی غشایی و فناوری تقطیر در نظر گرفت. این یک فرآیند جداسازی است که از یک غشای ریز متخلخل آبگریز به عنوان محیط جداسازی استفاده می کند و از اختلاف فشار بخار در دو طرف غشا به عنوان نیروی محرکه استفاده می کند. یک طرف غشا در تماس مستقیم با مایع خام است. از طریق اختلاف دما در دو طرف غشاء، یک رابط گاز-مایع روی سطح منافذ غشای آبگریز تشکیل می شود. آب مایع به بخار تبخیر می شود و از منافذ غشا عبور می کند و در طرف دیگر غشا به آب مقطر متراکم می شود. مواد غیر فرار حل شده در آب با بخار آب مهاجرت نمی کنند و در نتیجه به جداسازی، غلظت و خالص سازی مایع خوراک می رسند.

ماهیت فرآیند تقطیر غشایی، فرآیند انتقال حرارت و انتقال جرم است و در تقطیر غشایی، انتقال حرارت و انتقال جرم به طور همزمان اتفاق می‌افتد.

روش گاز با سرعت بالا که از طریق محفظه فاز گاز جاری می شود تا بخار اشباع شده را از بین ببرد و سپس چگالش تقطیر غشای بنزین نامیده می شود و روش استخراج بخار از محفظه فاز گاز از طریق خلاء و چگالش به آن خلاء گفته می شود تقطیر غشای ؛

روش جریان مستقیم آب خنک کننده از طریق محفظه فاز بخار برای جذب بخار اشباع ، تقطیر غشای تماس مستقیم نامیده می شود.

روش استفاده از آب خنک کننده از طریق مبدل های حرارتی برای متراکم کردن فوراً بخار اشباع شده در محفظه فاز بخار ، تقطیر غشای شکاف هوا نامیده می شود.

طبقه بندی کردن

در طول فرآیند تقطیر غشایی، یک طرف غشاء در تماس مستقیم با مایع تغذیه است و طرف دیگر را می توان با توجه به روش های مختلف تراکم به چهار شکل مختلف تقسیم کرد (شکل 1 را ببینید): تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD). تقطیر غشایی شکاف هوا (AGMD)، تقطیر غشایی با گاز (SGMD) و تقطیر غشایی خلاء (VMD).

دو طرف غشاء DCMD به ترتیب با مایع تغذیه و آب خنک کننده در حال گردش در تماس هستند. اختلاف فشار بخار ایجاد شده توسط اختلاف دمای غشایی کل فرآیند جداسازی غشا را هدایت می کند و بخار آب نفوذ یافته در آب خنک کننده در گردش متراکم می شود.

AGMD شبیه به DCMD است ، اما یک صفحه تراکم بین قسمت داغ غشای و آب خنک کننده در گردش ، با شکاف هوای خنک کننده در وسط اضافه می شود. پس از عبور از بخار آب از غشای ، آن را روی صفحه خنک کننده متراکم می کند و جمع آوری می شود.

SGMD به طور مستقیم از گاز خشک برای پاکسازی مداوم سمت نفوذ غشای تقطیر استفاده می کند ، و بخار آب نفوذ یافته از دستگاه تقطیر غشایی خارج می شود و متراکم و جمع آوری می شود.

VMD از پمپ خلاء برای پمپ کردن قسمت نفوذ برای ایجاد خلاء خاص استفاده می کند و بخار آب پس از عبور از غشای استخراج و خنک می شود.

مزیت

(1) فرآیند تقطیر غشای تقریباً با فشار عادی ، با تجهیزات ساده و عملکرد آسان انجام می شود. همچنین می توان در مناطقی با قدرت فنی ضعیف پیاده سازی کرد.

(2) در فرآیند تقطیر غشایی محلول آبی املاح غیر فرار، به دلیل اینکه فقط بخار آب می تواند از منافذ غشایی عبور کند، تقطیر بسیار خالص است، که انتظار می رود به وسیله ای موثر برای تهیه در مقیاس بزرگ و کم هزینه تبدیل شود. آب فوق خالص؛

(3) این فرایند می تواند راه حل های آبی غلظت بسیار بالایی را درمان کند. اگر املاح ماده ای باشد که قابل تبلور آسان باشد ، می توان محلول را به یک حالت اشباع شده متمرکز کرد و تبلور تقطیر غشای غشایی رخ می دهد. این تنها فرآیند غشایی است که می تواند محصول کریستالی را مستقیماً از محلول جدا کند.

(4) مؤلفه تقطیر غشایی را می توان به راحتی در یک فرم بازیابی گرمای نهان طراحی کرد و از انعطاف پذیری در تشکیل یک سیستم تولید در مقیاس بزرگ با اجزای غشای کوچک کارآمد برخوردار است.

(5) در این فرایند ، نیازی به گرم کردن محلول برای نقطه جوش نیست. تا زمانی که اختلاف دما بین دو طرف غشای به طور مناسب حفظ شود ، این روند می تواند انجام شود. می توان از انرژی ارزان قیمت مانند انرژی خورشیدی ، انرژی زمین گرمایی ، چشمه های آب گرم ، گرمای زباله کارخانه و فاضلاب صنعتی گرم استفاده کرد.

برنامه کاربردی

1. فاضلاب پتروشیمی

فرآیند سنتی تصفیه فاضلاب پتروشیمی - فرآیند "سه مجموعه قدیمی"، یعنی "جداسازی روغن - انعقاد - فیلتراسیون" یا "جداسازی روغن - شناورسازی - فیلتراسیون" برای برآورده کردن استاندارد تزریق مجدد فاضلاب برای کیفیت آب تصفیه شده دشوار است. در حال حاضر، اسمز معکوس (RO) و فرآیند اکسیداسیون پیشرفته (AOP) برای تصفیه فاضلاب پتروشیمی استفاده شده است، اما RO دارای مصرف انرژی بالا، الزامات بالا برای کیفیت آب ورودی و نرخ بازیابی آب خروجی پایین است. فناوری AOP ارائه شده توسط فنتون نیاز به افزودن مواد شیمیایی دارد که مقدار زیادی لجن تولید می کند. در مقایسه با فناوری نمک‌زدایی سنتی، تقطیر غشایی می‌تواند فاضلاب را با TDS تا 350،000 میلی‌گرم در لیتر تصفیه کند، می‌تواند با فشار کمتری کار کند و سازگاری بهتری با پساب‌های پتروشیمی دارد.

یک کاربرد مهندسی خاص نشان می‌دهد که میزان نمک‌زدایی DCMD در تصفیه پساب‌های پتروشیمی بسیار معدنی تا 99 درصد است و می‌تواند به طور موثر سایر آلاینده‌ها مانند کربن آلی را حذف کند. با این حال، تقطیر غشایی مصرف انرژی بالایی دارد و به اندازه RO مقرون به صرفه نیست. در مقایسه با فناوری های غشایی تحت فشار (مانند RO)، تقطیر غشایی تمایل کمتری به مقیاس دارد، اما پوسته پوسته شدن غشاء و مرطوب شدن غشا منجر به کاهش نرخ تولید آب و کیفیت آب، به ویژه در شرایط بازیافت بالا می شود. به منظور به تاخیر انداختن خیس شدن غشا، می توان غشای تقطیر را برای بهبود خواص ضد رسوب و ضد خیس شدن غشا اصلاح کرد.

2. گوگرد زدایی از فاضلاب نیروگاه های زغال سنگ

روشهای تصفیه متداول برای فاضلاب سولفوریزاسیون شامل روشهای فیزیکی ، شیمیایی و بیولوژیکی است. در میان آنها ، از روشهای شیمیایی اغلب برای از بین بردن SS و فلزات سنگین استفاده می شود ، اما وقتی کیفیت آب و حجم آب بسیار نوسان می کند ، راندمان حذف این روش زیاد نیست و CL و F- نمی توانند به طور مؤثر حذف شوند. هنگامی که لخته سازی برای از بین بردن رسوبات SS و فلز استفاده می شود ، سرعت جداسازی کند است زیرا رسوبات فلز اغلب از نظر اندازه زیر میکرون یا نانومتر است. از فن آوری های غشایی مانند میکروفیلتراسیون (MF) و اولترافیلتراسیون (UF) برای تصفیه فاضلاب دفع سولفوریزاسیون استفاده شده است ، اما فاضلاب تصفیه شده به دلیل غلظت بالای TDS آن به طور مستقیم تخلیه یا استفاده مجدد نمی شود. تقطیر غشایی نیازی به کیفیت بالایی از آب های تأثیرگذار ندارد و می تواند به طور موثری فاضلاب حاوی نمک با غلظت بالا را تصفیه کند. این مورد توجه فزاینده ای را در زمینه تصفیه فاضلاب دفع سولفوریزاسیون به خود جلب کرده است.

با استفاده از فناوری تقطیر غشایی برای تصفیه فاضلاب گوگرد زدایی می توان آب خروجی با کیفیت بالا به دست آورد. اما به دلیل وجود آلاینده های کم انرژی سطحی در فاضلاب، به راحتی می توان باعث خیس شدن و آلودگی غشاء شد که منجر به کاهش کیفیت آب پساب، کاهش عمر مفید غشا و افزایش هزینه تصفیه می شود.

در سال های اخیر در پاسخ به مشکلات آلودگی غشا و مرطوب شدن غشا، فرآیندهای ترکیبی مورد توجه ویژه قرار گرفته اند. مطالعات نشان داده است که تقطیر غشایی با فرآیندهای دیگر (مانند FO-MD) اثرات تصفیه بهتری نسبت به فناوری تقطیر تک غشایی دارد و می تواند به طور موثر آلودگی و خیس شدن غشاء را کاهش دهد و عمر مفید غشا را افزایش دهد. مطالعات نشان داده اند که ترکیب انعقاد مغناطیسی آهک و تقطیر غشایی برای تصفیه فاضلاب گوگرد زدایی می تواند آب خروجی با کیفیت بالا را به دست آورد و غشاء در عملیات طولانی مدت خیس شدن غشاء را نشان نمی دهد.

3. فاضلاب رادیواکتیو

در حال حاضر، فرآیند اصلی تصفیه فاضلاب رادیواکتیو در کشور من، تبادل لخته‌سازی بارش-تبخیر-یون است که در آن بارش لخته‌سازی و تبادل یونی تعداد زیادی آلاینده ثانویه تولید می‌کند و مصرف انرژی غلظت تبخیر بسیار زیاد است. مطالعات نشان داده اند که فناوری های غشایی تحت فشار مانند RO می توانند به طور موثر مواد رادیواکتیو را جدا کنند، اما راندمان حذف RO برای بور تنها 40 تا 80 درصد است. اگرچه سرعت حذف اسید بوریک را می توان با تنظیم pH افزایش داد، اما به دلیل اثر بافری اسید بوریک، مقدار زیادی قلیایی برای تنظیم برای افزایش شوری بور باید اضافه شود و در نتیجه خروجی آب RO کاهش می یابد.

به منظور حذف ایزوتوپ های کوچک رادیواکتیو یونی در فاضلاب، لازم است فناوری غشای فشار محور با کمپلکس شیمیایی ترکیب شود. کلید در بازسازی عامل کمپلکس کننده نهفته است و فیلتر اضافی مورد نیاز است. هنگامی که تقطیر غشایی فاضلاب رادیواکتیو را تصفیه می کند، فشار اسمزی و قطبش غلظت تأثیر کمی بر شار غشا دارد و می تواند در شوری بالا عمل کند.

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 گرم در لیتر). علاوه بر این، حلالیت اسید بوریک به طور قابل توجهی با دما تغییر می کند. کریستالیزاسیون تقطیر غشایی (VMDC) می تواند از این ویژگی برای تغلیظ اسید بوریک در فاضلاب استفاده کامل کند.

تماس بین غشای تقطیر و مواد رادیواکتیو به راحتی می تواند پایداری غشای را از بین ببرد و حتی باعث تخریب غشاء شود. بنابراین ، غشای تقطیر باید از مقاومت در برابر تابش کافی برخوردار باشد. مطالعات نشان داده اند که اصلاح فلوئوریناسیون غشای می تواند مقاومت تابش غشای را بهبود بخشد.

4. کک کردن فاضلاب

فاضلاب کک سازی دارای بوی تند بوده و حاوی تعداد زیادی آلاینده سمی و به سختی تجزیه می شود. فن‌آوری‌های سنتی تصفیه عمدتاً شامل روش‌های تصفیه فیزیکی و شیمیایی، مانند استخراج با حلال ترکیبات فنلی و جداسازی آمونیاک و همچنین روش‌های تصفیه بیولوژیکی مانند روش لجن فعال است. با این حال، فاضلاب تصفیه شده همچنان حاوی مقدار زیادی نمک و ترکیبات زیست تخریب پذیر مانند هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای و ترکیبات هتروسیکلیک است.

پس از فرآیندهای پیش تصفیه مانند حذف روغن و تقطیر آمونیاک، فاضلاب کک‌سازی همچنان می‌تواند دمای حدود 50 درجه را حفظ کند که شرایط مطلوبی را برای تقطیر غشایی برای استفاده از گرمای زباله صنعتی برای تصفیه فاضلاب کک‌سازی فراهم می‌کند. در سال‌های اخیر، استفاده از فناوری تقطیر غشایی برای تصفیه فاضلاب کک‌سازی به تدریج به یک کانون تحقیقاتی تبدیل شده است. نتایج تحقیقات نشان می دهد که تقطیر غشایی دارای راندمان حذف بالایی برای مواد غیرفرار است و میزان حذف آلاینده ها در فاضلاب عمدتاً بالای 98 درصد است.

با این حال ، آلاینده های آبگریز در فاضلاب ، مانند هیدروکربن های معطر و ترکیبات هتروسیکلیک ، میل شدید به غشاهای آبگریز نشان می دهند ، که به راحتی می تواند منجر به خیس شدن غشای و رسوب غشایی شود. خواص ضد فولینگ و ضد خیس شدن غشای می تواند با پیش تصفیه فاضلاب یا اصلاح غشای بهبود یابد.

5. فاضلاب دارویی

در فناوری غشای ، RO تأثیر خوبی بر فاضلاب دارویی دارد ، اما مصرف انرژی زیاد است و RO اثر درمانی ضعیفی بر روی ترکیبات خنثی مولکولی کم مانند N-nitrosodimethylamine (NDMA) دارد. در سالهای اخیر ، از فناوری تقطیر غشایی به تدریج برای تصفیه فاضلاب دارویی استفاده شده است. در ادبیات ، تقطیر غشایی برای تصفیه فاضلاب دارویی استفاده می شود و میزان حذف داروها مانند آنتی بیوتیک ها و ترکیبات فنولیک در فاضلاب می تواند به اندازه 99 ٪ باشد. با این حال ، مواد آبگریز در فاضلاب به راحتی در سطح غشای مقیاس مقیاس پذیر هستند و باعث کاهش شار غشاء می شوند. پیش تصفیه فاضلاب مانند لخته سازی و بارش ، همراه با تقطیر غشایی ، می تواند به طور موثری مقیاس بندی غشای را کاهش داده و میزان حذف داروها را در فاضلاب دارویی بهبود بخشد. علاوه بر این ، ترکیب سایر فرآیندهای با تقطیر غشایی (مانند فرآیند اتصال MBR-MD) می تواند به طور موثری داروهای کمیاب را در فاضلاب حذف کند.

چشم انداز

فن آوری تقطیر غشای در سالهای اخیر به سرعت توسعه یافته است و برای تصفیه فاضلاب های معمولی صنعتی مانند فاضلاب پتروشیمی ، فاضلاب دفع سولفوریزاسیون و فاضلاب کک استفاده شده است ، اما با مشکلات بسیاری از قبیل میزان مصرف گرمای پایین ، هزینه غشای بالا ، آلودگی غشاء و غشاء و فرین روبرو است. خیس کردن

تحقیقات بیشتر از جنبه های زیر مورد نیاز است:

① میزان مصرف انرژی سیستم تقطیر غشایی را کاهش دهید ، بازده استفاده از گرما را بهبود بخشید و تحقیقات بیشتری در مورد انرژی خورشیدی ، زمین گرمایی و سایر فن آوری های اتصال با تقطیر غشایی انجام دهید.

② توسعه مواد غشایی جدید، طراحی اجزای غشایی متنوع و بهبود شار غشا.

③ برای مکانیسم تشکیل و اقدامات پیشگیرانه مقیاس گذاری غشای ، تأثیر ویژگی های رسوب ، خصوصیات غشایی ، محیط عملیاتی و ویژگی های مادی در مکانیسم تشکیل رسوب می تواند عمیقاً مورد بحث قرار گیرد.

در حال حاضر تحقیقات کمی در مورد ارزیابی چرخه زندگی از تقطیر غشایی وجود دارد.

بنابراین ، انجام ارزیابی چرخه زندگی از سیستم تقطیر غشایی نیز یکی از مسیرهای تحقیق آینده است.