Teknik arka plan
Son yıllarda su kıtlığı ve kirlilik, insan toplumunun gelişimini olumsuz etkileyen önemli sorunlar haline geldi. Deniz suyundan ve acı sudan tatlı su elde etmek ve endüstriyel atık suyu geri dönüştürmek için verimli su arıtma teknolojisinin nasıl kullanılacağı, su krizini çözmenin anahtarıdır.
Verimli bir su arıtma teknolojisi olarak membran ayırma teknolojisi, yüksek verimlilik, sürekli çalışma ve güçlü kontrol edilebilirlik özelliklerine sahiptir ve deniz suyunun tuzdan arındırılması ve endüstriyel atık su arıtımı alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Ancak membranlı ayırma teknolojisindeki elektrodiyaliz (elektrodiyaliz) ve ters ozmoz (RO) gibi teknolojiler halen düşük ısıl kullanım oranı, yüksek enerji tüketimi, yüksek çalışma basıncı ve ikincil kirlilik gibi sorunlarla karşılaşmaktadır. Bu nedenle yeni membran ayırma teknolojileri geniş ilgi görmüştür.
GENEL BAKIŞ
Membran damıtma teknolojisi (MD), ters ozmoz membranlı tuzdan arındırmanın geliştirilmesiyle geliştirilen düşük sıcaklıkta bir termal membran ayırma teknolojisidir. Yeni bir tür ısıyla çalışan membran teknolojisi olarak, ılımlı çalışma koşulları, yüksek su üretim hızı, iyi ayırma performansı ve endüstriyel atık ısının kullanımı nedeniyle endüstriyel atık su arıtımı alanında iyi uygulama beklentilerine sahiptir. Aynı zamanda nanofiltrasyon ve ters ozmoz gibi geleneksel basınçla çalışan membran teknolojileriyle karşılaştırıldığında membran damıtma, yüksek kalitede ham su gerektirmez. Yüksek konsantrasyonlu ve bozunması zor atık suların arıtılması sırasında yüksek kaliteli çıkış suyu elde edilebilir ve bu, tipik endüstriyel atık suyun arıtılmasında kullanılır.
PRENSİP
Membran damıtma, basitçe membran ayırma ve damıtma teknolojisinin bir kombinasyonu olarak kabul edilebilir. Ayırma ortamı olarak hidrofobik mikro gözenekli membranın kullanıldığı ve membranın her iki tarafındaki buhar basıncı farkını itici güç olarak kullanan bir ayırma işlemidir. Membranın bir tarafı ham sıvı ile doğrudan temas halindedir. Membranın her iki tarafındaki sıcaklık farkı sayesinde hidrofobik membran gözeneklerinin yüzeyinde bir gaz-sıvı arayüzü oluşur. Sıvı su buharlaşarak buharlaşır ve membran gözeneklerinden geçerek membranın diğer tarafında damıtılmış suya yoğunlaşır. Suda çözünmüş uçucu olmayan maddeler su buharıyla birlikte hareket etmeyecek, böylece besleme sıvısının ayrılması, konsantrasyonu ve saflaştırılması sağlanacaktır.
Membran damıtma işleminin özü, ısı transferi ve kütle transferi sürecidir ve membran damıtmada ısı transferi ve kütle transferi aynı anda gerçekleşir.
Doymuş buharı uzaklaştırmak ve daha sonra yoğunlaştırmak için gaz fazı odasından yüksek hızlı gaz akması yöntemine gaz süpürme membranı damıtma adı verilir ve buharın gaz fazı odasından vakum yoluyla çıkarılması ve yoğunlaştırılması yöntemine vakum denir. membran damıtma;
Doymuş buharı absorbe etmek için soğutma suyunun buhar fazı odasından doğrudan akması yöntemine doğrudan temas membranlı damıtma denir;
Buhar fazı odasındaki doymuş buharı anında yoğunlaştırmak için ısı eşanjörleri aracılığıyla soğutma suyu kullanma yöntemine hava aralığı membran damıtma adı verilir.
SINIFLANDIRMAK
Membran damıtma işlemi sırasında, zarın bir tarafı besleme sıvısı ile doğrudan temas halindedir ve diğer tarafı farklı yoğunlaşma yöntemlerine göre dört farklı forma ayrılabilir (bkz. Şekil 1): doğrudan temaslı membran damıtma (DCMD) , hava aralığı membranlı damıtma (AGMD), gaz süpürme membranlı damıtma (SGMD) ve vakumlu membranlı damıtma (VMD).
DCMD membranının iki tarafı sırasıyla besleme sıvısı ve dolaşan soğutma suyuyla temas halindedir. Transmembran sıcaklık farkının oluşturduğu buhar basıncı farkı, tüm membran ayırma sürecini yönlendirir ve nüfuz eden su buharı, dolaşan soğutma suyunda yoğunlaştırılır.
AGMD, DCMD'ye benzer, ancak membranın sıcak tarafı ile dolaşan soğutma suyu arasına, ortasında bir soğutma havası boşluğu olacak şekilde bir yoğunlaşma plakası eklenir. Su buharı membrandan geçtikten sonra soğutma plakasında yoğunlaşarak toplanır.
SGMD, damıtma membranının nüfuz tarafını sürekli olarak temizlemek için doğrudan kuru gaz kullanır ve nüfuz eden su buharı, membran damıtma cihazından alınır ve yoğunlaştırılıp toplanır.
VMD, belirli bir vakum oluşturmak üzere geçirgenlik tarafını pompalamak için bir vakum pompası kullanır ve su buharı, membrandan geçtikten sonra çıkarılır ve soğutulur.
AVANTAJI
(1) Membran damıtma işlemi, basit ekipman ve kolay kullanımla neredeyse normal basınçta gerçekleştirilir. Teknik gücü zayıf olan alanlarda da uygulanması mümkündür;
(2) Uçucu olmayan çözünen sulu çözeltinin membran damıtma işleminde, membran gözeneklerinden yalnızca su buharı geçebildiğinden, damıtma ürünü çok saftır ve bunun büyük ölçekli ve düşük maliyetli hazırlamanın etkili bir yolu olması beklenir. ultra saf su;
(3) Bu işlem son derece yüksek konsantrasyonlu sulu çözeltileri işleyebilir. Çözünen madde kristalleşmesi kolay bir maddeyse, çözelti aşırı doymuş bir duruma konsantre edilebilir ve membran damıtma kristalizasyonu meydana gelir. Kristalin ürünü çözeltiden doğrudan ayırabilen tek membran işlemidir;
(4) Membran damıtma bileşeni, gizli bir ısı geri kazanım formunda kolayca tasarlanabilir ve verimli küçük membran bileşenleriyle büyük ölçekli bir üretim sistemi oluşturma esnekliğine sahiptir;
(5) Bu işlemde çözeltiyi kaynama noktasına kadar ısıtmaya gerek yoktur. Membranın iki tarafı arasındaki sıcaklık farkı uygun şekilde muhafaza edildiği sürece işlem gerçekleştirilebilir. Güneş enerjisi, jeotermal enerji, kaplıcalar, fabrika atık ısıları ve ılık endüstriyel atık sular gibi ucuz enerjilerden faydalanmak mümkündür.
BAŞVURU
1. Petrokimyasal atıksu
Geleneksel petrokimyasal atık su arıtma prosesi - "eski üç set" prosesi, yani "yağ ayırma-pıhtılaşma-filtrasyon" veya "yağ ayırma-flotasyon-filtrasyon", arıtılmış su kalitesi için kanalizasyon yeniden enjeksiyon standardını karşılamak zordur. Şu anda, petrokimyasal atık su arıtımında ters ozmoz (RO) ve ileri oksidasyon işlemi (AOP) kullanılmaktadır, ancak RO yüksek enerji tüketimine, giriş suyu kalitesine yönelik yüksek gereksinimlere ve düşük çıkış suyu geri kazanım oranına sahiptir. Fenton tarafından temsil edilen AOP teknolojisi, büyük miktarda çamur üreten kimyasalların eklenmesini gerektirir. Geleneksel tuzdan arındırma teknolojisiyle karşılaştırıldığında, membranlı damıtma, atık suyu 350,000 mg/L'ye kadar TDS ile arıtabilir, daha düşük bir basınçta çalışabilir ve petrokimyasal atık suya daha iyi uyum sağlayabilir.
Belirli bir mühendislik uygulaması, yüksek mineralli petrokimyasal atık suyun arıtılmasında DCMD'nin tuzdan arındırma oranının %99 kadar yüksek olduğunu ve organik karbon gibi diğer kirleticileri etkili bir şekilde giderebildiğini göstermektedir. Ancak membranlı damıtma yüksek enerji tüketimine sahiptir ve RO kadar ekonomik değildir. Basınçla çalışan membran teknolojileriyle (RO gibi) karşılaştırıldığında, membran damıtmanın ölçeklenme eğilimi daha düşüktür, ancak membran ölçeklenmesi ve membranın ıslatılması, özellikle yüksek geri kazanım koşulları altında, su üretim hızının ve su kalitesinin düşmesine yol açacaktır. Membranın ıslanmasını geciktirmek için damıtma membranı, membranın kirlenme ve ıslanma önleyici özelliklerini geliştirecek şekilde değiştirilebilir.
2. Kömür yakıtlı enerji santrallerinden gelen kükürt giderme atıksuları
Atık suların kükürtten arındırılması için geleneksel arıtma yöntemleri fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemleri içerir. Bunlar arasında, SS ve ağır metalleri gidermek için sıklıkla kimyasal yöntemler kullanılır, ancak su kalitesi ve su hacmi büyük ölçüde dalgalandığında bu yöntemin giderme verimliliği yüksek değildir ve Cl ve F- etkili bir şekilde giderilemez. SS ve metal çökeltilerini uzaklaştırmak için topaklaştırma kullanıldığında ayırma hızı yavaştır çünkü metal çökeltileri genellikle mikron altı veya nanometre boyutundadır. Kükürt giderme atıksu arıtımında mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF) gibi membran teknolojileri kullanılmıştır ancak arıtılan atık su, yüksek TDS konsantrasyonu nedeniyle doğrudan deşarj edilemez veya yeniden kullanılamaz. Membran damıtma, yüksek kalitede giriş suyu gerektirmez ve yüksek konsantrasyonlu tuz içeren atık suyu etkili bir şekilde arıtabilir. Kükürt giderme atıksu arıtımı alanında artan ilgi görmüştür.
Kükürt giderme atık suyunun arıtılması için membran damıtma teknolojisinin kullanılması, yüksek kaliteli çıkış suyu elde edilebilir. Ancak atık sularda düşük yüzey enerjili kirleticilerin bulunması nedeniyle membranın ıslanmasına ve kirlenmesine neden olmak kolaydır, bu da atık su kalitesinin bozulmasına, membranın ömrünün kısalmasına ve arıtma maliyetinin artmasına yol açacaktır.
Son yıllarda membran kontaminasyonu ve membranın ıslanması sorunlarına yanıt olarak kombine proseslere özel önem verilmiştir. Araştırmalar, membran damıtma işleminin diğer işlemlerle (FO-MD gibi) birleştirilmesinin, tek membranlı damıtma teknolojisinden daha iyi arıtma etkilerine sahip olduğunu ve membran kirlenmesini ve ıslanmasını etkili bir şekilde yavaşlatabildiğini ve membranın servis ömrünü artırabildiğini bulmuştur. Çalışmalar, kükürt giderme atıksu arıtımı için kireç manyetik pıhtılaşması ve membran damıtmanın birleştirilmesinin, yüksek kaliteli çıkış suyu elde edilebileceğini ve membranın, uzun süreli çalışma sırasında membran ıslatma göstermediğini göstermiştir.
3. Radyoaktif atık su
Şu anda, ülkemdeki ana radyoaktif atık su arıtma işlemi, flokülasyon çökelmesi ve iyon değişiminin çok sayıda ikincil kirletici üreteceği ve buharlaşma konsantrasyonunun enerji tüketiminin çok yüksek olduğu flokülasyon çökeltme-buharlaşma-iyon değişimidir. Çalışmalar, RO gibi basınçla çalışan membran teknolojilerinin radyoaktif maddeleri etkili bir şekilde ayırabildiğini, ancak RO'nun bor giderim verimliliğinin yalnızca %40 ila %80 olduğunu göstermiştir. Borik asidin giderim oranı, pH'ın ayarlanmasıyla artırılabilse de, borik asidin tamponlama etkisinden dolayı bor tuzluluğunun arttırılması için ayarlama için büyük miktarda alkali eklenmesi gerekir, böylece RO'nun su çıkışı azalır.
Atık sudaki küçük iyon radyoaktif izotopları uzaklaştırmak için basınçla çalışan membran teknolojisini kimyasal kompleksleştirmeyle birleştirmek gerekir. Anahtar, kompleks yapıcı maddenin yenilenmesinde yatmaktadır ve ek filtreleme gereklidir. Membran damıtma radyoaktif atık suyu arıttığında, ozmotik basınç ve konsantrasyon polarizasyonunun membran akışı üzerinde çok az etkisi vardır ve yüksek tuzlulukta çalışabilir.
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). Ayrıca borik asidin çözünürlüğü sıcaklıkla önemli ölçüde değişir. Membran damıtma kristalizasyonu (VMDC), atık sudaki borik asidi konsantre etmek için bu özellikten tam olarak yararlanabilir.
Damıtma membranı ile radyoaktif maddeler arasındaki temas, membranın stabilitesini kolaylıkla bozabilir ve hatta membranın bozulmasına neden olabilir. Bu nedenle damıtma membranının yeterli radyasyon direncine sahip olması gerekir. Çalışmalar, membranın florlama modifikasyonunun, membranın radyasyon direncini artırabildiğini göstermiştir.
4. Kok atık suyu
Kok atıksuyu keskin bir kokuya sahiptir ve çok sayıda toksik ve parçalanması zor kirletici madde içerir. Geleneksel arıtma teknolojileri temel olarak fenolik bileşiklerin solvent ekstraksiyonu ve amonyağın soyulması gibi fiziksel ve kimyasal arıtma yöntemlerinin yanı sıra aktif çamur yöntemi gibi biyolojik arıtma yöntemlerini içerir. Bununla birlikte, arıtılmış atık su hala büyük miktarda tuz ve polisiklik aromatik hidrokarbonlar ve heterosiklik bileşikler gibi biyolojik olarak parçalanabilen bileşikler içermektedir.
Yağ giderme ve amonyak damıtma gibi ön arıtma işlemlerinden sonra, koklaşma atık suyu hala yaklaşık 50 derecelik bir sıcaklığı koruyabilir; bu da, koklaşma atık suyunun arıtılması için endüstriyel atık ısının kullanılması için membran damıtma için uygun koşullar sağlar. Son yıllarda, koklaşabilir atıksu arıtımında membran damıtma teknolojisinin uygulanması, yavaş yavaş araştırmaların sıcak noktası haline geldi. Araştırma sonuçları, membran distilasyonunun uçucu olmayan maddeler için yüksek bir giderim verimliliğine sahip olduğunu ve atık sudaki kirleticilerin giderim oranının çoğunlukla %98'in üzerinde olduğunu göstermektedir.
Bununla birlikte, atık sudaki aromatik hidrokarbonlar ve heterosiklik bileşikler gibi hidrofobik kirleticiler, hidrofobik membranlara güçlü bir afinite gösterir ve bu da kolaylıkla membranın ıslanmasına ve membranın kirlenmesine neden olabilir. Membranın kirlenme ve ıslanma önleyici özellikleri, atık suyun ön arıtılmasıyla veya membranın değiştirilmesiyle geliştirilebilir.
5. Farmasötik atık su
Membran teknolojisinde RO, farmasötik atık su üzerinde iyi bir arıtma etkisine sahiptir, ancak enerji tüketimi yüksektir ve RO, N-nitrosodimetilamin (NDMA) gibi düşük moleküler nötr bileşikler üzerinde zayıf bir arıtma etkisine sahiptir. Son yıllarda farmasötik atıksuların arıtılmasında membran distilasyon teknolojisi giderek kullanılmaya başlanmıştır. Literatürde farmasötik atıksu arıtımında membran distilasyonu kullanılmakta olup, antibiyotik ve fenolik bileşikler gibi ilaçların atık sudan uzaklaştırılma oranı %99'a kadar çıkabilmektedir. Bununla birlikte, atık sudaki hidrofobik maddelerin membran yüzeyinde ölçeklenmesi kolaydır, bu da membran akışını azaltır. Atık suyun flokülasyon ve çökeltme gibi ön arıtımı, membran damıtma ile birlikte, membran kireçlenmesini etkili bir şekilde hafifletebilir ve farmasötik atık sudaki ilaçların giderim oranını iyileştirebilir. Ek olarak, diğer proseslerin membran damıtma ile birleştirilmesi (MBR-MD birleştirme prosesi gibi) atık sudaki eser miktardaki ilaçları etkili bir şekilde giderebilir.
OLASILIK
Membran distilasyon teknolojisi son yıllarda hızla gelişerek petrokimya atıksuları, kükürt giderme atıksuları ve kok atıksuları gibi tipik endüstriyel atıksuların arıtılmasında kullanılmaya başlanmıştır ancak düşük ısı kullanım oranı, yüksek membran maliyeti, membran kirliliği ve membran kirliliği gibi pek çok sorunla karşı karşıyadır. ıslatma.
Aşağıdaki yönlerden daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır:
① Membran damıtma sisteminin enerji tüketimini azaltın, ısının kullanım verimliliğini artırın ve membran damıtma ile güneş enerjisi, jeotermal ve diğer birleştirme teknolojileri üzerine daha fazla araştırma yapın;
② Yeni membran malzemeleri geliştirin, çeşitlendirilmiş membran bileşenleri tasarlayın ve membran akışını iyileştirin;
③ Membran ölçeklenmesinin oluşum mekanizması ve önleyici tedbirleri için, kirlenme özelliklerinin, membran özelliklerinin, çalışma ortamının ve malzeme özelliklerinin kirlenme oluşum mekanizması üzerindeki etkisi derinlemesine tartışılabilir;
④ Membran damıtmanın yaşam döngüsü değerlendirmesi konusunda şu anda çok az araştırma bulunmaktadır.
Bu nedenle, membran damıtma sisteminin yaşam döngüsü değerlendirmesinin yapılması da gelecekteki araştırma yönlerinden biridir.