Antecedents tècnics
En els darrers anys, l'escassetat d'aigua i la contaminació han estat els principals problemes que afecten el desenvolupament de la societat humana. Com utilitzar una tecnologia eficient de tractament de l'aigua per obtenir aigua dolça de l'aigua de mar i aigua salobre, i per reciclar les aigües residuals industrials, és la clau per resoldre la crisi de l'aigua.
Com a tecnologia eficient de tractament d'aigua, la tecnologia de separació de membrana té les característiques d'alta eficiència, funcionament continu i forta controlabilitat, i s'utilitza àmpliament en els camps de la dessalinització d'aigua de mar i el tractament d'aigües residuals industrials.
Tanmateix, tecnologies com l'electrodiàlisi (electrodiàlisi) i l'osmosi inversa (RO) en la tecnologia de separació de membranes encara tenen problemes com ara una baixa taxa d'utilització tèrmica, un alt consum d'energia, una pressió de treball elevada i una contaminació secundària. Per tant, les noves tecnologies de separació de membranes han rebut una atenció generalitzada.
VISTA GENERAL
La tecnologia de destil·lació de membrana (MD) és una tecnologia de separació de membrana tèrmica a baixa temperatura desenvolupada amb el desenvolupament de la dessalinització de membrana d'osmosi inversa. Com a nou tipus de tecnologia de membrana impulsada per calor, té bones perspectives d'aplicació en el camp del tractament d'aigües residuals industrials a causa de les seves condicions de funcionament suaus, l'alta taxa de producció d'aigua, el bon rendiment de separació i l'ús de la calor residual industrial. Al mateix temps, en comparació amb les tecnologies tradicionals de membrana impulsades per pressió com la nanofiltració i l'osmosi inversa, la destil·lació de membrana no requereix una alta qualitat d'aigua bruta. Quan es tracten aigües residuals d'alta concentració i difícils de degradar, es pot obtenir aigua de sortida d'alta qualitat, i s'ha utilitzat per tractar aigües residuals industrials típiques.
PRINCIPI
La destil·lació de membrana es pot considerar simplement com una combinació de tecnologia de separació de membrana i destil·lació. És un procés de separació que utilitza una membrana microporosa hidròfoba com a mitjà de separació i utilitza la diferència de pressió de vapor a banda i banda de la membrana com a força motriu. Un costat de la membrana està en contacte directe amb el líquid cru. A través de la diferència de temperatura a banda i banda de la membrana, es forma una interfície gas-líquid a la superfície dels porus de la membrana hidròfoba. L'aigua líquida s'evapora en vapor i passa pels porus de la membrana, condensant-se en aigua destil·lada a l'altre costat de la membrana. Les substàncies no volàtils dissoltes a l'aigua no migraran amb el vapor d'aigua, aconseguint així la separació, concentració i purificació del líquid d'alimentació.
L'essència del procés de destil·lació de membrana és el procés de transferència de calor i transferència de massa, i en la destil·lació de membrana, la transferència de calor i la transferència de massa es produeixen simultàniament.
El mètode de gas d'alta velocitat que flueix a través de la cambra en fase gasosa per treure el vapor saturat i després condensar s'anomena destil·lació de membrana per escombrat de gas, i el mètode per extreure el vapor de la cambra en fase gasosa a través del buit i condensar-lo s'anomena buit. destil·lació de membrana;
El mètode de fluir directament l'aigua de refrigeració a través de la cambra de fase de vapor per absorbir vapor saturat s'anomena destil·lació de membrana de contacte directe;
El mètode d'utilitzar aigua de refrigeració a través d'intercanviadors de calor per condensar instantàniament el vapor saturat a la cambra de fase de vapor s'anomena destil·lació de membrana de buit d'aire.
CLASSIFICAR
Durant el procés de destil·lació de la membrana, un costat de la membrana està en contacte directe amb el líquid d'alimentació i l'altre costat es pot dividir en quatre formes diferents segons els diferents mètodes de condensació (vegeu la figura 1): destil·lació de membrana de contacte directe (DCMD) , destil·lació de membrana amb buit d'aire (AGMD), destil·lació de membrana per escombrat de gas (SGMD) i destil·lació de membrana al buit (VMD).
Els dos costats de la membrana DCMD estan en contacte amb el líquid d'alimentació i l'aigua de refrigeració circulant, respectivament. La diferència de pressió de vapor formada per la diferència de temperatura transmembrana impulsa tot el procés de separació de la membrana i el vapor d'aigua permeat es condensa a l'aigua de refrigeració que circula.
L'AGMD és similar al DCMD, però s'afegeix una placa de condensació entre el costat calent de la membrana i l'aigua de refrigeració circulant, amb un buit d'aire de refrigeració al mig. Després que el vapor d'aigua travessa la membrana, es condensa a la placa de refrigeració i es recull.
SGMD utilitza directament gas sec per purgar contínuament el costat de permeació de la membrana de destil·lació, i el vapor d'aigua permeat es treu del dispositiu de destil·lació de membrana i es condensa i es recull.
VMD utilitza una bomba de buit per bombar el costat de la permeació per formar un cert buit, i el vapor d'aigua s'extreu i es refreda després de passar per la membrana.
AVANTATGE
(1) El procés de destil·lació de membrana es porta a terme gairebé a pressió normal, amb un equip senzill i un funcionament fàcil. També és possible implementar en zones amb poca força tècnica;
(2) En el procés de destil·lació de membrana de solució aquosa de solut no volàtil, com que només el vapor d'aigua pot passar pels porus de la membrana, el destil·lat és molt pur, cosa que s'espera que es converteixi en un mitjà eficaç de preparació a gran escala i de baix cost. d'aigua ultrapura;
(3) Aquest procés pot tractar solucions aquoses de concentració extremadament alta. Si el solut és una substància que és fàcil de cristal·litzar, la solució es pot concentrar fins a un estat sobresaturat i es produirà la cristal·lització per destil·lació de membrana. És l'únic procés de membrana que pot separar directament el producte cristal·lí de la solució;
(4) El component de destil·lació de membrana es pot dissenyar fàcilment en una forma de recuperació de calor latent i té la flexibilitat de formar un sistema de producció a gran escala amb components de membrana petits eficients;
(5) En aquest procés, no cal escalfar la solució fins al punt d'ebullició. Sempre que la diferència de temperatura entre els dos costats de la membrana es mantingui adequadament, el procés es pot dur a terme. És possible utilitzar energia barata com l'energia solar, l'energia geotèrmica, les aigües termals, la calor residual de fàbrica i les aigües residuals industrials càlides.
APLICACIÓ
1. Aigües residuals petroquímiques
El procés petroquímic tradicional de tractament d'aigües residuals: el procés dels "tres conjunts antics", és a dir, "separació d'oli-coagulació-filtració" o "separació d'oli-flotació-filtració", és difícil de complir l'estàndard de reinjecció d'aigües residuals per a la qualitat de l'aigua tractada. Actualment, l'osmosi inversa (RO) i el procés d'oxidació avançada (AOP) s'han utilitzat per al tractament petroquímic d'aigües residuals, però el RO té un alt consum d'energia, uns alts requisits per a la qualitat de l'aigua d'afluència i una baixa taxa de recuperació d'aigua de sortida. La tecnologia AOP representada per Fenton requereix l'addició de productes químics, que produeixen una gran quantitat de fangs. En comparació amb la tecnologia de dessalinització tradicional, la destil·lació de membrana pot tractar aigües residuals amb un TDS de fins a 350,000 mg/L, pot funcionar a una pressió més baixa i té una millor adaptabilitat a les aigües residuals petroquímiques.
Una determinada aplicació d'enginyeria demostra que la taxa de dessalinització de DCMD en el tractament d'aigües residuals petroquímiques altament mineralitzades arriba al 99% i pot eliminar eficaçment altres contaminants com el carboni orgànic. Tanmateix, la destil·lació de membrana té un alt consum d'energia i no és tan econòmica com la RO. En comparació amb les tecnologies de membrana impulsades per pressió (com ara RO), la destil·lació de membrana té una menor tendència a escalar, però l'escala de la membrana i la humectació de la membrana provocaran una disminució de la taxa de producció d'aigua i la qualitat de l'aigua, especialment en condicions d'alta recuperació. Per retardar la humectació de la membrana, la membrana de destil·lació es pot modificar per millorar les propietats anti-incrustació i anti-humectació de la membrana.
2. Desulfuració d'aigües residuals de centrals elèctriques de carbó
Els mètodes convencionals de tractament d'aigües residuals de desulfuració inclouen mètodes físics, químics i biològics. Entre ells, sovint s'utilitzen mètodes químics per eliminar SS i metalls pesants, però quan la qualitat de l'aigua i el volum d'aigua fluctuen molt, l'eficiència d'eliminació d'aquest mètode no és alta i el Cl i el F- no es poden eliminar amb eficàcia. Quan s'utilitza la floculació per eliminar SS i precipitats metàl·lics, la velocitat de separació és lenta perquè els precipitats metàl·lics solen tenir una mida de submicrònica o nanòmetre. Tecnologies de membrana com la microfiltració (MF) i la ultrafiltració (UF) s'han utilitzat per al tractament d'aigües residuals per desulfuració, però les aigües residuals tractades no es poden abocar ni reutilitzar directament a causa de la seva alta concentració de TDS. La destil·lació de membrana no requereix una alta qualitat d'aigua d'afluència i pot tractar eficaçment les aigües residuals que contenen sal d'alta concentració. Ha rebut una atenció creixent en l'àmbit del tractament d'aigües residuals per desulfuració.
L'ús de la tecnologia de destil·lació de membrana per tractar les aigües residuals de desulfuració pot obtenir aigua de sortida d'alta qualitat. Tanmateix, a causa de la presència de contaminants de baixa energia superficial a les aigües residuals, és fàcil provocar la humectació i la contaminació de la membrana, la qual cosa comportarà un deteriorament de la qualitat de l'aigua efluent, escurçarà la vida útil de la membrana i augmentarà el cost del tractament.
En els últims anys, com a resposta als problemes de contaminació de la membrana i humectació de la membrana, els processos combinats han rebut una atenció especial. Els estudis han descobert que l'acoblament de la destil·lació de membrana amb altres processos (com ara FO-MD) té millors efectes de tractament que la tecnologia de destil·lació de membrana única i pot alentir eficaçment la contaminació i la humectació de la membrana i augmentar la vida útil de la membrana. Els estudis han demostrat que la combinació de la coagulació magnètica de calç i la destil·lació de membrana per al tractament d'aigües residuals de desulfuració pot obtenir aigua de sortida d'alta qualitat i la membrana no mostra humectació de la membrana en funcionament a llarg termini.
3. Aigües residuals radioactives
Actualment, el principal procés de tractament d'aigües residuals radioactives al meu país és l'intercanvi d'ions de floculació-evaporació-precipitació, en el qual la precipitació de floculació i l'intercanvi d'ions produiran un gran nombre de contaminants secundaris i el consum d'energia de la concentració d'evaporació és massa alt. Els estudis han demostrat que les tecnologies de membrana impulsades per pressió com l'OI poden separar eficaçment les substàncies radioactives, però l'eficiència d'eliminació de l'OI per al bor és només del 40% al 80%. Tot i que la taxa d'eliminació de l'àcid bòric es pot augmentar ajustant el pH, a causa de l'efecte amortidor de l'àcid bòric, cal afegir una gran quantitat d'àlcali per ajustar-se per augmentar la salinitat del bor, reduint així la sortida d'aigua de RO.
Per eliminar petits isòtops radioactius d'ions a les aigües residuals, és necessari combinar la tecnologia de membrana impulsada per pressió amb la complexació química. La clau rau en la regeneració de l'agent complexant i es requereix una filtració addicional. Quan la destil·lació de membrana tracta aigües residuals radioactives, la pressió osmòtica i la polarització de la concentració tenen poc efecte sobre el flux de membrana i pot funcionar a una salinitat elevada.
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). A més, la solubilitat de l'àcid bòric canvia significativament amb la temperatura. La cristal·lització per destil·lació de membrana (VMDC) pot fer un ús complet d'aquesta característica per concentrar l'àcid bòric a les aigües residuals.
El contacte entre la membrana de destil·lació i les substàncies radioactives pot destruir fàcilment l'estabilitat de la membrana i fins i tot provocar la degradació de la membrana. Per tant, la membrana de destil·lació hauria de tenir prou resistència a la radiació. Els estudis han demostrat que la modificació de la fluoració de la membrana pot millorar la resistència a la radiació de la membrana.
4. Aigües residuals de coc
Les aigües residuals de coquització tenen una olor picant i contenen un gran nombre de contaminants tòxics i difícils de degradar. Les tecnologies de tractament tradicionals inclouen principalment mètodes de tractament físic i químic, com ara l'extracció amb dissolvents de compostos fenòlics i l'eliminació d'amoníac, així com mètodes de tractament biològic, com el mètode de fangs activats. Tanmateix, les aigües residuals tractades encara contenen una gran quantitat de sal i compostos biodegradables, com ara hidrocarburs aromàtics policíclics i compostos heterocíclics.
Després de processos de pretractament com l'eliminació d'oli i la destil·lació d'amoníac, les aigües residuals de coquització encara poden mantenir una temperatura d'uns 50 graus, la qual cosa proporciona condicions favorables perquè la destil·lació de membrana utilitzi la calor residual industrial per tractar les aigües residuals de coquització. En els darrers anys, l'aplicació de la tecnologia de destil·lació de membrana al tractament d'aigües residuals de coc s'ha convertit gradualment en un punt d'investigació. Els resultats de la investigació mostren que la destil·lació de membrana té una alta eficiència d'eliminació de substàncies no volàtils i la taxa d'eliminació de contaminants a les aigües residuals és majoritàriament superior al 98%.
Tanmateix, els contaminants hidrofòbics de les aigües residuals, com els hidrocarburs aromàtics i els compostos heterocíclics, mostren una forta afinitat amb les membranes hidròfobes, que poden provocar fàcilment la humectació de la membrana i l'encrassement de la membrana. Les propietats antiincrustantes i antihumitat de la membrana es poden millorar pretractant les aigües residuals o modificant la membrana.
5. Aigües residuals farmacèutiques
En tecnologia de membrana, l'OI té un bon efecte de tractament de les aigües residuals farmacèutiques, però el consum d'energia és elevat i l'OI té un efecte de tractament deficient en compostos neutres de baix peso molecular com la N-nitrosodimetilamina (NDMA). En els últims anys, la tecnologia de destil·lació de membrana s'ha utilitzat gradualment per al tractament d'aigües residuals farmacèutiques. A la literatura, la destil·lació de membrana s'utilitza per al tractament d'aigües residuals farmacèutiques i la taxa d'eliminació de fàrmacs com els antibiòtics i els compostos fenòlics a les aigües residuals pot arribar al 99%. Tanmateix, les substàncies hidròfobes de les aigües residuals són fàcils d'escalar a la superfície de la membrana, reduint el flux de membrana. El pretractament d'aigües residuals, com ara la floculació i la precipitació, combinat amb la destil·lació de membrana, pot alleujar eficaçment l'escala de la membrana i millorar la taxa d'eliminació de fàrmacs a les aigües residuals farmacèutiques. A més, la combinació d'altres processos amb la destil·lació de membrana (com el procés d'acoblament MBR-MD) pot eliminar eficaçment traces de fàrmacs a les aigües residuals.
PERSPECTIVA
La tecnologia de destil·lació de membrana s'ha desenvolupat ràpidament en els darrers anys i s'ha començat a utilitzar per tractar aigües residuals industrials típiques, com ara aigües residuals petroquímiques, aigües residuals de desulfuració i aigües residuals de coquització, però s'enfronta a molts problemes com ara la baixa taxa d'utilització de calor, l'alt cost de la membrana, la contaminació de la membrana i mullant.
Cal més investigació des dels aspectes següents:
① Redueix el consum d'energia del sistema de destil·lació de membrana, millora l'eficiència d'utilització de la calor i segueix investigant sobre l'energia solar, la geotèrmica i altres tecnologies d'acoblament amb destil·lació de membrana;
② Desenvolupar nous materials de membrana, dissenyar components de membrana diversificats i millorar el flux de membrana;
③ Per al mecanisme de formació i les mesures preventives de l'escala de la membrana, es pot discutir a fons la influència de les característiques d'encrassement, les característiques de la membrana, l'entorn operatiu i les característiques del material en el mecanisme de formació d'encrasses;
④ Actualment hi ha poca investigació sobre l'avaluació del cicle de vida de la destil·lació de membrana.
Per tant, dur a terme una avaluació del cicle de vida del sistema de destil·lació de membrana també és una de les futures direccions de recerca.