Latar belakang teknikal
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kekurangan air dan pencemaran telah menjadi masalah utama yang membelenggu pembangunan masyarakat manusia. Cara menggunakan teknologi rawatan air yang cekap untuk mendapatkan air tawar daripada air laut dan air payau, dan mengitar semula air sisa industri, adalah kunci untuk menyelesaikan krisis air.
Sebagai teknologi rawatan air yang cekap, teknologi pemisahan membran mempunyai ciri-ciri kecekapan tinggi, operasi berterusan dan kebolehkawalan yang kuat, dan digunakan secara meluas dalam bidang penyahgaraman air laut dan rawatan air sisa industri.
Walau bagaimanapun, teknologi seperti elektrodialisis (elektrodialisis) dan osmosis terbalik (RO) dalam teknologi pemisahan membran masih mempunyai masalah seperti kadar penggunaan haba yang rendah, penggunaan tenaga yang tinggi, tekanan kerja yang tinggi, dan pencemaran sekunder. Oleh itu, teknologi pemisahan membran baru telah mendapat perhatian yang meluas.
GAMBARAN KESELURUHAN
Teknologi penyulingan membran (MD) ialah teknologi pemisahan membran terma suhu rendah yang dibangunkan dengan pembangunan penyahgaraman membran osmosis songsang. Sebagai jenis baru teknologi membran yang didorong haba, ia mempunyai prospek aplikasi yang baik dalam bidang rawatan air sisa industri kerana keadaan operasinya yang sederhana, kadar pengeluaran air yang tinggi, prestasi pemisahan yang baik, dan penggunaan haba sisa industri. Pada masa yang sama, berbanding dengan teknologi membran yang dipacu tekanan tradisional seperti penapisan nano dan osmosis terbalik, penyulingan membran tidak memerlukan air mentah yang berkualiti tinggi. Apabila merawat air sisa berkepekatan tinggi dan sukar untuk didegradasi, air keluaran berkualiti tinggi boleh diperolehi, dan ia telah digunakan untuk merawat air sisa industri biasa.
PRINSIP
Penyulingan membran boleh dianggap sebagai gabungan pemisahan membran dan teknologi penyulingan. Ia adalah proses pengasingan yang menggunakan membran mikroporous hidrofobik sebagai medium pengasingan dan menggunakan perbezaan tekanan wap pada kedua-dua belah membran sebagai daya penggerak. Satu sisi membran bersentuhan langsung dengan cecair mentah. Melalui perbezaan suhu pada kedua-dua belah membran, antara muka gas-cecair terbentuk pada permukaan liang membran hidrofobik. Air cecair menyejat menjadi wap dan melalui liang membran, terpeluwap menjadi air suling di bahagian lain membran. Bahan tidak meruap yang dilarutkan dalam air tidak akan berhijrah dengan wap air, dengan itu mencapai pengasingan, kepekatan, dan penulenan cecair suapan.
Intipati proses penyulingan membran ialah proses pemindahan haba dan pemindahan jisim, dan dalam penyulingan membran, pemindahan haba dan pemindahan jisim berlaku serentak.
Kaedah gas berkelajuan tinggi yang mengalir melalui ruang fasa gas untuk menghilangkan wap tepu dan kemudiannya terpeluwap dipanggil penyulingan membran sapuan gas, dan kaedah mengekstrak stim dari ruang fasa gas melalui vakum dan pemeluwapannya dipanggil vakum penyulingan membran;
Kaedah mengalirkan air penyejuk secara terus melalui ruang fasa wap untuk menyerap wap tepu dipanggil penyulingan membran sentuhan langsung;
Kaedah menggunakan air penyejuk melalui penukar haba untuk memekatkan serta-merta wap tepu dalam ruang fasa wap dipanggil penyulingan membran celah udara.
KLASIFIKASI
Semasa proses penyulingan membran, satu bahagian membran bersentuhan langsung dengan cecair suapan, dan bahagian lain boleh dibahagikan kepada empat bentuk berbeza mengikut kaedah pemeluwapan yang berbeza (lihat Rajah 1): penyulingan membran sentuhan langsung (DCMD) , penyulingan membran jurang udara (AGMD), penyulingan membran sapuan gas (SGMD), dan penyulingan membran vakum (VMD).
Kedua-dua belah membran DCMD bersentuhan dengan cecair suapan dan air penyejuk yang beredar. Perbezaan tekanan wap yang terbentuk oleh perbezaan suhu transmembran memacu keseluruhan proses pemisahan membran, dan wap air yang meresap dipeluwap dalam air penyejuk yang beredar.
AGMD adalah serupa dengan DCMD, tetapi plat pemeluwapan ditambah di antara bahagian panas membran dan air penyejuk yang beredar, dengan jurang udara penyejuk di tengah. Selepas wap air melalui membran, ia terpeluwap pada plat penyejuk dan dikumpulkan.
SGMD secara langsung menggunakan gas kering untuk membersihkan bahagian resapan membran penyulingan secara berterusan, dan wap air yang meresap dibawa keluar dari peranti penyulingan membran dan dipekatkan dan dikumpulkan.
VMD menggunakan pam vakum untuk mengepam bahagian resapan untuk membentuk vakum tertentu, dan wap air diekstrak dan disejukkan selepas melalui membran.
KELEBIHAN
(1) Proses penyulingan membran dijalankan hampir pada tekanan biasa, dengan peralatan yang mudah dan operasi yang mudah. Ia juga mungkin untuk dilaksanakan di kawasan yang mempunyai kekuatan teknikal yang lemah;
(2) Dalam proses penyulingan membran larutan akueus terlarut tidak meruap, kerana hanya wap air yang boleh melalui liang membran, penyulingan adalah sangat tulen, yang dijangka menjadi cara yang berkesan untuk penyediaan berskala besar dan kos rendah air ultratulen;
(3) Proses ini boleh merawat larutan akueus berkepekatan tinggi. Jika zat terlarut adalah bahan yang mudah dihablurkan, larutan tersebut boleh ditumpukan kepada keadaan terlebih tepu dan penghabluran penyulingan membran akan berlaku. Ia adalah satu-satunya proses membran yang boleh secara langsung memisahkan produk kristal daripada larutan;
(4) Komponen penyulingan membran boleh direka bentuk dengan mudah ke dalam bentuk pemulihan haba terpendam dan mempunyai fleksibiliti untuk membentuk sistem pengeluaran berskala besar dengan komponen membran kecil yang cekap;
(5) Dalam proses ini, tidak perlu memanaskan larutan ke takat didih. Selagi perbezaan suhu antara kedua-dua belah membran dikekalkan dengan sewajarnya, proses itu boleh dijalankan. Ia adalah mungkin untuk menggunakan tenaga murah seperti tenaga suria, tenaga geoterma, mata air panas, haba sisa kilang dan air sisa industri yang hangat.
PERMOHONAN
1. Air sisa petrokimia
Proses rawatan air sisa petrokimia tradisional - proses "tiga set lama", iaitu "pemisahan minyak-pembekuan-penapisan" atau "pemisahan minyak-pengapungan-penapisan", sukar untuk memenuhi piawaian penyuntik semula kumbahan untuk kualiti air terawat. Pada masa ini, reverse osmosis (RO) dan proses pengoksidaan lanjutan (AOP) telah digunakan untuk rawatan air sisa petrokimia, tetapi RO mempunyai penggunaan tenaga yang tinggi, keperluan yang tinggi untuk kualiti air influen dan kadar pemulihan air keluaran yang rendah. Teknologi AOP yang diwakili oleh Fenton memerlukan penambahan bahan kimia, yang menghasilkan sejumlah besar enapcemar. Berbanding dengan teknologi penyahgaraman tradisional, penyulingan membran boleh merawat air sisa dengan TDS sehingga 350,000 mg/L, boleh beroperasi pada tekanan yang lebih rendah dan mempunyai kebolehsuaian yang lebih baik kepada air sisa petrokimia.
Aplikasi kejuruteraan tertentu menunjukkan bahawa kadar penyahgaraman DCMD dalam merawat air sisa petrokimia bermineral tinggi adalah setinggi 99%, dan ia boleh membuang bahan pencemar lain seperti karbon organik dengan berkesan. Walau bagaimanapun, penyulingan membran mempunyai penggunaan tenaga yang tinggi dan tidak sejimat RO. Berbanding dengan teknologi membran yang dipacu tekanan (seperti RO), penyulingan membran mempunyai kecenderungan skala yang lebih rendah, tetapi penskalaan membran dan pembasahan membran akan menyebabkan penurunan kadar pengeluaran air dan kualiti air, terutamanya dalam keadaan pemulihan yang tinggi. Untuk melambatkan pembasahan membran, membran penyulingan boleh diubah suai untuk meningkatkan sifat anti-kotoran dan anti-pembasahan membran.
2. Air sisa penyahsulfuran daripada loji janakuasa arang batu
Kaedah rawatan konvensional untuk air sisa penyahsulfuran termasuk kaedah fizikal, kimia dan biologi. Antaranya, kaedah kimia sering digunakan untuk mengeluarkan SS dan logam berat, tetapi apabila kualiti air dan isipadu air berubah-ubah dengan ketara, kecekapan penyingkiran kaedah ini tidak tinggi, dan Cl dan F- tidak dapat dikeluarkan dengan berkesan. Apabila pemberbukuan digunakan untuk mengeluarkan SS dan mendakan logam, kelajuan pemisahan adalah perlahan kerana mendakan logam selalunya bersaiz submikron atau nanometer. Teknologi membran seperti penapisan mikro (MF) dan ultrafiltrasi (UF) telah digunakan untuk rawatan air sisa penyahsulfuran, tetapi air sisa yang dirawat tidak boleh dibuang terus atau digunakan semula kerana kepekatan TDSnya yang tinggi. Penyulingan membran tidak memerlukan air influen yang berkualiti tinggi, dan boleh merawat air sisa yang mengandungi garam berkepekatan tinggi dengan berkesan. Ia telah mendapat perhatian yang semakin meningkat dalam bidang rawatan air sisa penyahsulfuran.
Menggunakan teknologi penyulingan membran untuk merawat air sisa penyahsulfuran boleh memperoleh air keluaran berkualiti tinggi. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kehadiran bahan pencemar tenaga permukaan yang rendah dalam air sisa, mudah menyebabkan pembasahan dan pencemaran membran, yang akan membawa kepada kemerosotan kualiti air efluen, memendekkan hayat perkhidmatan membran, dan meningkatkan kos rawatan.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, sebagai tindak balas kepada masalah pencemaran membran dan pembasahan membran, proses gabungan telah mendapat perhatian khusus. Kajian mendapati bahawa gandingan penyulingan membran dengan proses lain (seperti FO-MD) mempunyai kesan rawatan yang lebih baik daripada teknologi penyulingan membran tunggal, dan secara berkesan boleh melambatkan pencemaran dan pembasahan membran, dan meningkatkan hayat perkhidmatan membran. Kajian telah menunjukkan bahawa menggabungkan pembekuan magnet kapur dan penyulingan membran untuk rawatan air sisa penyahsulfuran boleh mendapatkan air keluaran berkualiti tinggi, dan membran tidak menunjukkan pembasahan membran di bawah operasi jangka panjang.
3. Air sisa radioaktif
Pada masa ini, proses rawatan air sisa radioaktif utama di negara saya ialah pemendakan-penyejatan-penukaran ion pemberbukuan, di mana pemendakan pemberbukuan dan pertukaran ion akan menghasilkan sejumlah besar bahan pencemar sekunder, dan penggunaan tenaga kepekatan penyejatan adalah terlalu tinggi. Kajian telah menunjukkan bahawa teknologi membran yang didorong oleh tekanan seperti RO boleh memisahkan bahan radioaktif dengan berkesan, tetapi kecekapan penyingkiran RO untuk boron hanya 40% hingga 80%. Walaupun kadar penyingkiran asid borik boleh ditingkatkan dengan melaraskan pH, disebabkan oleh kesan penimbalan asid borik, sejumlah besar alkali perlu ditambah untuk pelarasan untuk meningkatkan kemasinan boron, dengan itu mengurangkan pengeluaran air RO.
Untuk mengeluarkan isotop radioaktif ion kecil dalam air sisa, adalah perlu untuk menggabungkan teknologi membran yang dipacu tekanan dengan kompleks kimia. Kuncinya terletak pada penjanaan semula agen pengkompleks, dan penapisan tambahan diperlukan. Apabila penyulingan membran merawat air sisa radioaktif, tekanan osmotik dan polarisasi kepekatan mempunyai sedikit kesan ke atas fluks membran, dan ia boleh beroperasi pada kemasinan yang tinggi.
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). Di samping itu, keterlarutan asid borik berubah dengan ketara dengan suhu. Penghabluran penyulingan membran (VMDC) boleh menggunakan sepenuhnya ciri ini untuk menumpukan asid borik dalam air sisa.
Sentuhan antara membran penyulingan dan bahan radioaktif dengan mudah boleh memusnahkan kestabilan membran malah menyebabkan membran merosot. Oleh itu, membran penyulingan harus mempunyai rintangan sinaran yang mencukupi. Kajian telah menunjukkan bahawa pengubahsuaian fluorinasi membran boleh meningkatkan rintangan sinaran membran.
4. Air kumbahan coking
Air kumbahan berkokas mempunyai bau pedas dan mengandungi sejumlah besar bahan pencemar toksik dan sukar diurai. Teknologi rawatan tradisional terutamanya termasuk kaedah rawatan fizikal dan kimia, seperti pengekstrakan pelarut sebatian fenolik dan pelucutan ammonia, serta kaedah rawatan biologi, seperti kaedah enapcemar diaktifkan. Walau bagaimanapun, air sisa yang dirawat masih mengandungi sejumlah besar garam dan sebatian terbiodegradasi, seperti hidrokarbon aromatik polisiklik dan sebatian heterosiklik.
Selepas proses prarawatan seperti penyingkiran minyak dan penyulingan ammonia, air sisa kok masih boleh mengekalkan suhu kira-kira 50 darjah, yang menyediakan keadaan yang baik untuk penyulingan membran untuk menggunakan haba sisa industri untuk merawat air sisa kok. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, aplikasi teknologi penyulingan membran untuk rawatan air sisa coking secara beransur-ansur menjadi tempat tumpuan penyelidikan. Keputusan penyelidikan menunjukkan bahawa penyulingan membran mempunyai kecekapan penyingkiran yang tinggi untuk bahan tidak meruap, dan kadar penyingkiran bahan pencemar dalam air sisa kebanyakannya melebihi 98%.
Walau bagaimanapun, bahan pencemar hidrofobik dalam air sisa, seperti hidrokarbon aromatik dan sebatian heterosiklik, menunjukkan pertalian yang kuat kepada membran hidrofobik, yang boleh menyebabkan pembasahan membran dan mengotori membran dengan mudah. Sifat anti-kotoran dan anti-pembasahan membran boleh dipertingkatkan dengan pra-merawat air sisa atau mengubah suai membran.
5. Air sisa farmaseutikal
Dalam teknologi membran, RO mempunyai kesan rawatan yang baik terhadap air sisa farmaseutikal, tetapi penggunaan tenaga adalah tinggi, dan RO mempunyai kesan rawatan yang lemah pada sebatian neutral molekul rendah seperti N-nitrosodimethylamine (NDMA). Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi penyulingan membran telah digunakan secara beransur-ansur untuk rawatan air sisa farmaseutikal. Dalam kesusasteraan, penyulingan membran digunakan untuk rawatan air sisa farmaseutikal, dan kadar penyingkiran ubat seperti antibiotik dan sebatian fenolik dalam air sisa boleh setinggi 99%. Walau bagaimanapun, bahan hidrofobik dalam air sisa mudah berskala pada permukaan membran, mengurangkan fluks membran. Pra-rawatan air sisa seperti pemberbukuan dan pemendakan, digabungkan dengan penyulingan membran, boleh mengurangkan penskalaan membran secara berkesan dan meningkatkan kadar penyingkiran ubat dalam air sisa farmaseutikal. Di samping itu, menggabungkan proses lain dengan penyulingan membran (seperti proses gandingan MBR-MD) boleh mengeluarkan ubat surih dalam air sisa dengan berkesan.
PROSPEK
Teknologi penyulingan membran telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini dan telah mula digunakan untuk merawat air buangan industri biasa seperti air sisa petrokimia, air sisa penyahsulfurisasi dan air sisa kok, tetapi ia menghadapi banyak masalah seperti kadar penggunaan haba yang rendah, kos membran yang tinggi, pencemaran membran dan membasahkan.
Kajian lanjut diperlukan dari aspek berikut:
① Mengurangkan penggunaan tenaga sistem penyulingan membran, meningkatkan kecekapan penggunaan haba, dan seterusnya menjalankan penyelidikan mengenai tenaga suria, geoterma dan teknologi gandingan lain dengan penyulingan membran;
② Membangunkan bahan membran baharu, mereka bentuk komponen membran yang pelbagai, dan menambah baik fluks membran;
③ Untuk mekanisme pembentukan dan langkah-langkah pencegahan penskalaan membran, pengaruh ciri-ciri kekotoran, ciri-ciri membran, persekitaran operasi dan ciri-ciri bahan pada mekanisme pembentukan kekotoran boleh dibincangkan secara mendalam;
④ Pada masa ini terdapat sedikit kajian tentang penilaian kitaran hayat penyulingan membran.
Oleh itu, menjalankan penilaian kitaran hayat sistem penyulingan membran juga merupakan salah satu hala tuju penyelidikan masa hadapan.