Войти
| Опреснение воды |
|---|
| Методы |
|
Мембранная дистилляция ( МД) - это термический процесс разделения, в котором разделение происходит за счет фазового перехода. Гидрофобная мембрана представляет собой барьер для жидкой фазы, позволяя паровой фазе (например, водяному пару) проходить через поры мембраны. Движущей силой процесса является разница парциального давления пара, обычно вызываемая разницей температур.
Капиллярная депрессия воды на гидофобной мембране 
Профиль температуры и давления через мембрану с учетом температурной поляризации Большинство процессов, в которых используется мембрана для разделения материалов, полагаются на разницу статического давления как движущую силу между двумя ограничивающими поверхностями (например, обратный осмос - RO), или разницу в концентрации ( диализ ), или электрическое поле (ED). Селективность мембраны может быть обусловлена отношением размера пор к размеру удерживаемого вещества, или его коэффициентом диффузии, или его электрической полярностью. Мембраны, используемые для мембранной дистилляции (MD), препятствуют прохождению жидкой воды, обеспечивая при этом проницаемость для свободных молекул воды и, таким образом, для водяного пара. Эти мембраны изготовлены из гидрофобного синтетического материала (например, ПТФЭ, ПВДФ или ПП) и имеют поры со стандартным диаметром от 0,1 до 0,5 мкм (от 3,9 × 10 -6 до 1,97 × 10 -5 дюймов ). Поскольку вода имеет сильные дипольные характеристики, в то время как ткань мембраны неполярна, материал мембраны не смачивается жидкостью. Несмотря на то, что поры значительно больше, чем молекулы, высокое поверхностное натяжение воды предотвращает попадание жидкой фазы в поры. В пору перерастает выпуклый мениск. Этот эффект получил название капиллярного действия. Среди других факторов глубина вдавливания может зависеть от нагрузки внешнего давления на жидкость. Размером для проникновения жидкости в поры является краевой угол Θ = 90 - '. Пока lt;90 ° и, соответственно, 'gt; 0 °, смачивание пор не происходит. Если внешнее давление превышает так называемое давление на входе жидкости, то Θ = 90 °, что приводит к обходу поры. Движущей силой, которая подает пар через мембрану, чтобы собрать его на стороне пермеата в виде воды, является разность парциальных давлений водяного пара между двумя ограничивающими поверхностями. Эта разница парциального давления является результатом разницы температур между двумя ограничивающими поверхностями. Как видно на изображении, мембрана заряжается потоком горячего сырья с одной стороны и охлажденным потоком пермеата с другой стороны. Разница температур через мембрану, обычно от 5 до 20 К, соответствует разнице парциальных давлений, которая гарантирует, что пар, развивающийся на поверхности мембраны, следует за перепадом давления, проникая через поры и конденсируясь на более холодной стороне.
Схема устройства AGMD Существует множество различных методов мембранной дистилляции. Четыре основных метода в основном различаются расположением канала дистиллята или способом работы с этим каналом. Наиболее распространены следующие технологии:
В DCMD обе стороны мембраны заполнены жидкой горячей питательной водой на стороне испарителя и охлажденным пермеатом на стороне пермеата. Конденсация пара, проходящего через мембрану, происходит непосредственно внутри жидкой фазы на граничной поверхности мембраны. Поскольку мембрана является единственным барьером, блокирующим массоперенос, с помощью DCMD можно достичь относительно высоких потоков пермеата, связанных с поверхностью. Недостатком являются высокие потери ощутимого тепла, так как изоляционные свойства одинарного мембранного слоя низкие. Однако большие потери тепла между испарителем и конденсатором также являются результатом единственного мембранного слоя. Это потерянное тепло недоступно для процесса дистилляции, что снижает эффективность. В отличие от других конфигураций мембранной дистилляции, в DCMD охлаждение через мембрану обеспечивается за счет потока пермеата, а не за счет предварительного нагрева сырья. Следовательно, внешний теплообменник также необходим для рекуперации тепла из пермеата, и необходимо тщательно оптимизировать высокую скорость потока сырья.
Режимы капельной конденсации в AGMD. В MD с воздушным зазором канал испарителя похож на канал в DCMD, тогда как зазор для пермеата находится между мембраной и охлаждаемой стенкой и заполнен воздухом. Пар, проходящий через мембрану, должен дополнительно преодолеть этот воздушный зазор, прежде чем конденсироваться на более холодной поверхности. Преимуществом этого метода является высокая теплоизоляция канала конденсатора, что сводит к минимуму потери теплопроводности. Однако недостатком является то, что воздушный зазор представляет собой дополнительный барьер для массопереноса, уменьшая выход пермеата, связанный с поверхностью, по сравнению с DCMD. Еще одно преимущество перед DCMD состоит в том, что летучие вещества с низким поверхностным натяжением, такие как спирт или другие растворители, могут быть отделены от разбавленных растворов благодаря тому факту, что нет контакта между жидким пермеатом и мембраной с AGMD. AGMD особенно выгоден по сравнению с альтернативами при более высокой солености. Варианты AGMD могут включать гидрофобные конденсирующие поверхности для улучшения потока и энергоэффективности. В AGMD уникально важные конструктивные особенности включают толщину зазора, гидрофобность конденсирующей поверхности, конструкцию проставки зазора и угол наклона.
MD для продувочного газа, также известный как отгонка воздуха, использует конфигурацию канала с пустым зазором на стороне пермеата. Эта конфигурация такая же, как и в AGMD. Конденсация пара происходит вне модуля MD во внешнем конденсаторе. Как и в случае с AGMD, с помощью этого процесса можно перегонять летучие вещества с низким поверхностным натяжением. Преимущество SWGMD перед AGMD заключается в значительном уменьшении барьера для массопереноса за счет принудительного потока. Таким образом могут быть достигнуты более высокие массовые потоки продуктовой воды на поверхности, чем при использовании AGMD. Недостатком SWGMD, вызванным наличием газового компонента и, следовательно, более высоким общим массовым расходом, является необходимость большей емкости конденсатора. При использовании меньших массовых потоков газа существует риск нагрева самого газа на горячей поверхности мембраны, что снижает разницу в давлении пара и, следовательно, движущую силу. Одним из решений этой проблемы для SWGMD и AGMD является использование охлаждаемых стенок для канала пермеата и поддержание температуры путем промывки его газом.
Вакуумный MD содержит конфигурацию канала с воздушным зазором. После прохождения через мембрану пар всасывается из канала пермеата и конденсируется вне модуля, как в случае с SWGMD. VCMD и SWGMD могут применяться для отделения летучих веществ от водянистого раствора или для получения чистой воды из концентрированной соленой воды. Одним из преимуществ этого метода является то, что нерастворенные инертные газы, блокирующие поры мембраны, отсасываются вакуумом, оставляя большую эффективную поверхность мембраны активной. Кроме того, снижение точки кипения приводит к получению сопоставимого количества продукта при более низких общих температурах и меньших перепадах температур через мембрану. Чем ниже требуемая разница температур, тем ниже общая и удельная потребность в тепловой энергии. Однако создание вакуума, который необходимо отрегулировать в соответствии с температурой соленой воды, требует сложного технического оборудования и, следовательно, является недостатком этого метода. Электроэнергии спрос намного выше, так как с DCMD и AGMD. Дополнительной проблемой является повышение значения pH из-за удаления CO2 из питательной воды. Чтобы вакуумная мембранная дистилляция была эффективной, ее часто проводят в многоступенчатой конфигурации.
Далее будет объяснена основная конфигурация канала и метод работы стандартного модуля DCMD, а также модуля DCMD с отдельным зазором для пермеата. Конструкция на соседнем изображении изображает конфигурацию плоских каналов, но также может быть понята как схема для модулей с плоской, полой или спиральной намоткой.
Полная конфигурация каналов состоит из канала конденсатора с входом и выходом и канала испарителя с входом и выходом. Эти два канала разделены гидрофобной микропористой мембраной. Для охлаждения канал конденсатора заполняется пресной водой, а испаритель, например, соленой питательной водой. Охлаждающая жидкость поступает в канал конденсатора с температурой 20 ° C (68 ° F). Пройдя через мембрану, пар конденсируется в охлаждающей воде, высвобождая скрытую теплоту и приводя к повышению температуры охлаждающей жидкости. Явная теплопроводность также нагревает охлаждающую воду через поверхность мембраны. Из-за переноса массы через мембрану массовый расход в испарителе уменьшается, в то время как канал конденсатора увеличивается на ту же величину. Массовый поток предварительно нагретого хладагента покидает канал конденсатора с температурой около 72 ° C (162 ° F) и попадает в теплообменник, таким образом предварительно нагревая питательную воду. Эта питательная вода затем подается к другому источнику тепла и, наконец, поступает в испарительный канал модуля MD при температуре 80 ° C (176 ° F). В процессе испарения из подаваемого потока извлекается скрытая теплота, которая охлаждает сырье все больше в направлении потока. Дополнительное снижение тепла происходит за счет явного тепла, проходящего через мембрану. Охлажденная питательная вода покидает канал испарителя примерно при 28 ° C. Суммарная разница температур между входом конденсатора и выходом испарителя, входом конденсатора и выходом испарителя примерно одинакова. В модуле PGMD канал пермеата отделен от канала конденсатора поверхностью конденсации. Это позволяет напрямую использовать подачу соленой воды в качестве хладагента, поскольку она не контактирует с пермеатом. Учитывая это, охлаждающая или питательная вода, поступающая в канал конденсатора с температурой T1, теперь также может использоваться для охлаждения пермеата. Внутри жидкого пермеата происходит конденсация пара. Предварительно нагретая питательная вода, которая использовалась для охлаждения конденсатора, может быть направлена непосредственно к источнику тепла для окончательного нагрева после выхода из конденсатора с температурой T2. После достижения температуры T3 он направляется в испаритель. Пермеат экстрагируется при температуре Т5, а охлажденный рассол выгружается при температуре Т4.
Преимущество PGMD перед DCMD - это прямое использование питательной воды в качестве охлаждающей жидкости внутри модуля и, следовательно, необходимость только одного теплообменника для нагрева сырья перед подачей в испаритель. Таким образом снижаются потери теплопроводности и можно сократить дорогостоящие компоненты. Еще одним преимуществом является отделение пермеата от охлаждающей жидкости. Следовательно, пермеат не нужно извлекать позже в процессе, и массовый поток хладагента в канале конденсатора остается постоянным. Низкая скорость потока пермеата в зазоре для пермеата является недостатком этой конфигурации, поскольку она приводит к плохой теплопроводности от поверхности мембраны к стенкам конденсатора. Результатом этого эффекта (температурной поляризации ) являются высокие температуры на поверхности, ограничивающей мембрану на стороне пермеата, что снижает перепад давления пара и, следовательно, движущую силу процесса. Однако полезно, чтобы за счет этого эффекта снижаются и потери теплопроводности через мембрану. Эта проблема плохой теплопроводности зазора в значительной степени решается с помощью варианта PGMD, называемого CGMD, или перегонки через мембрану с проводящим зазором, при которой в зазоры добавляются теплопроводящие прокладки. По сравнению с AGMD, в PGMD или CGMD достигается более высокий выход пермеата, связанный с поверхностью, поскольку массовый поток дополнительно не сдерживается сопротивлением диффузии воздушного слоя.
Гидрофобные мембраны (или полипропиленовая пленка) приварены к обеим сторонам рамы memsys. Эта рама предназначена для объединения и распределения потоков пара, подаваемого, неконденсируемого газа и дистиллята. 
Рамы memsys разного количества сварены вибросваркой как модуль memsys (например, пароподъемник, мембранная ступень и конденсатор). Газовый фактор и емкость модуля memsys могут быть легко изменены в зависимости от приложения или потребностей клиента. 
Схема процесса memsys V-MEMD Типичный модуль вакуумной мультиэффектной мембранной дистилляции (например, V-MEMD марки Memsys) состоит из парохода, ступеней испарения-конденсации и конденсатора. Каждая ступень восстанавливает тепло конденсации, обеспечивая мультиэффектный дизайн. Дистиллят производится на каждой ступени испарения-конденсации и в конденсаторе.
Пароподъемник: тепло, производимое внешним источником тепла (например, солнечным или отработанным теплом), передается в пароподъемнике. Вода в пароподъемнике находится под более низким давлением (например, 400 гПа) по сравнению с окружающей средой. Горячий пар поступает на первую ступень испарения – конденсации (ступень 1).
Этапы испарения-конденсации: Этапы состоят из альтернативных гидрофобных мембран и рамок из фольги (полипропилен, ПП). Корм (например, морская вода) вводится на этапе 1 модуля. Сырье последовательно проходит через стадии испарения-конденсации. В конце последней стадии он выбрасывается в виде рассола.
Этап 1: Пар из испарителя конденсируется на полипропиленовой пленке при уровне давления P1 и соответствующей температуре T1. Комбинация фольги и гидрофобной мембраны создает канал для подачи, в котором сырье нагревается за счет тепла конденсации пара из пароподъемника. Корм испаряется под отрицательным давлением P2. Вакуум всегда применяется к пермеатной стороне мембран.
Стадия [2, 3, 4, x]: этот процесс повторяется на следующих стадиях, и каждая стадия проходит при более низком давлении и температуре.
Конденсатор: Пар, образующийся на заключительной стадии испарения-конденсации, конденсируется в конденсаторе с использованием потока хладагента (например, морской воды).
Производство дистиллята: конденсированный дистиллят транспортируется через нижнюю часть каждой ступени за счет разницы давлений между ступенями.
Дизайн модуля memsys: внутри каждого кадра memsys и между кадрами создаются каналы. Рамки из фольги - это «каналы дистиллята». Каркасы мембран - это «паровые каналы». Между рамой из фольги и мембраны создаются «питающие каналы». Пар попадает на сцену и стекает в параллельные рамки из фольги. Единственный вариант для пара, попадающего в рамки из фольги, - это конденсироваться, т. Е. Пар входит в «тупиковую» рамку из фольги. Хотя это называется «тупиковой» рамой, в ней есть небольшой канал для удаления неконденсируемых газов и создания вакуума.
Конденсированный пар поступает в дистиллятный канал. Тепло конденсации переносится через фольгу и немедленно преобразуется в энергию испарения, образуя новый пар в канале подачи морской воды. Подающий канал ограничен одной конденсирующей фольгой и мембраной. Пар покидает каналы мембраны и собирается в основном паровом канале. Пар покидает ступень по этому каналу и попадает на следующую ступень. Memsys разработала высокоавтоматизированную производственную линию для модулей, которую можно легко расширить. Поскольку процесс memsys работает при умеренно низких температурах (менее 90 ° C или 194 ° F) и умеренном отрицательном давлении, все компоненты модуля изготовлены из полипропилена (PP). Это исключает коррозию и образование накипи и позволяет производить крупномасштабное рентабельное производство.
Типичные области применения мембранной дистилляции:
Заводская конструкция компактной системы 
Конструкция установки двухконтурной системы Мембранная дистилляция очень подходит для компактных опреснительных установок на солнечных батареях, обеспечивающих малую и среднюю производительность менее 10 000 литров в день (2 600 галлонов США в день). Для этого применения особенно подходит конструкция со спиральной намоткой, запатентованная GORE в 1985 году. В рамках проекта MEMDIS, который стартовал в 2003 году, Институт систем солнечной энергии им. Фраунгофера ISE начал разработку модулей MD, а также установку и анализ двух различных операционных систем, работающих на солнечной энергии, вместе с другими партнерами по проекту. Первый тип системы - это так называемая компактная система, предназначенная для производства 100–120 литров питьевой воды в день (26–32 галлона США в день) из морской или солоноватой воды. Основная цель проектирования системы - простая, самодостаточная, не требующая обслуживания и надежная установка для целевых рынков в засушливых и полузасушливых районах с низкой инфраструктурой. Второй тип системы - это так называемая двухконтурная установка с производительностью около 2000 литров в день (530 галлонов США в день). Здесь коллекторный контур отделен от опреснительного контура теплообменником, устойчивым к соленой воде. На основе этих двух типов систем было разработано, установлено и испытано различное количество прототипов.
Стандартная конфигурация сегодняшней (2011 г.) компактной системы способна производить до 150 литров дистиллята в день (40 галлонов США / день). Необходимая тепловая энергия обеспечивается солнечным тепловым коллектором площадью 6,5 м 2 (70 кв. Футов). Электроэнергия подается от фотоэлектрического модуля мощностью 75 Вт. Этот тип системы в настоящее время разрабатывается и продается компанией Solar Spring GmbH, дочерней компанией Института систем солнечной энергии Фраунгофера. В рамках проекта MEDIRAS, еще одного проекта ЕС, на острове Гран-Канария была установлена усовершенствованная двухконтурная система. Встроенный в контейнер 6,1 м (20 футов) и оснащенный коллектором размером 225 м 2 (2420 квадратных футов), резервуар для хранения тепла позволяет производить до 3000 литров дистиллята в день (790 галлонов США в день).. Также были реализованы другие приложения с производительностью до 5000 литров в день (1300 галлонов США в день), работающие на 100% солнечной энергии или как гибридные проекты в сочетании с отработанным теплом.
Образцовые системыРабота систем мембранной дистилляции сталкивается с несколькими серьезными препятствиями, которые могут ухудшить работу или помешать ей стать жизнеспособным вариантом. Основная проблема - смачивание мембраны, когда физиологический раствор просачивается через мембрану, загрязняя пермеат. Это особенно вызвано загрязнением мембраны, когда на поверхности мембраны осаждаются твердые частицы, соли или органические вещества. Методы уменьшения загрязнения включают супергидрофобность мембраны, обратную промывку воздухом для устранения или предотвращения смачивания, выбор рабочих условий без загрязнения и поддержание воздушных слоев на поверхности мембраны.
Самая большая проблема для рентабельности мембранной дистилляции - это энергоэффективность. Коммерческие системы не достигли конкурентоспособного энергопотребления по сравнению с ведущими тепловыми технологиями, такими как многоступенчатая дистилляция, хотя некоторые из них были близки, и исследования показали потенциал для значительного повышения энергоэффективности.
