Войти
| Опреснение воды |
|---|
| Методы |
|
Осмотические мембранные процессы Прямой осмос (FO) - это осмотический процесс, который, как и обратный осмос (RO), использует полупроницаемую мембрану для осуществления отделения воды от растворенных веществ. Движущей силой для этого разделения является градиент осмотического давления, такой, что «вытяжной» раствор с высокой концентрацией (по сравнению с исходным раствором), используется для создания чистого потока воды через мембрану в раствор для вытяжки, таким образом эффективно отделяя исходную воду от растворенных в ней веществ. Напротив, в процессе обратного осмоса в качестве движущей силы разделения используется гидравлическое давление, которое служит для противодействия градиенту осмотического давления, которое в противном случае способствовало бы потоку воды из пермеата в сырье. Следовательно, для обратного осмоса требуется значительно больше энергии по сравнению с прямым осмосом.
Семейство процессов осмотической мембраны, включая обратный осмос и прямой осмос Простейшее уравнение, описывающее взаимосвязь между осмотическим и гидравлическим давлением и потоком воды (растворителя):
, где 
Поток растворенного вещества (
, где 
В процессах FO мы можем иметь диффузию растворенного вещества в обоих направлениях в зависимости от состава раствора для вытяжки и исходной воды. Это делает две вещи; растворенные вещества раствора для вытяжки могут диффундировать в исходный раствор, а растворенные вещества исходного раствора могут диффундировать в раствор для вытяжки. Очевидно, что эти явления имеют последствия с точки зрения выбора решения для вытяжки для любого конкретного процесса FO. Например, потеря раствора для вытяжки может повлиять на исходный раствор, возможно, из-за проблем с окружающей средой или загрязнения потока сырья, например, в биореакторах с осмотической мембраной.
Дополнительное различие между процессами обратного осмоса (RO) и прямого осмоса (FO) заключается в том, что пермеатная вода, полученная в процессе обратного осмоса, в большинстве случаев представляет собой пресную воду, готовую к использованию. В процессе FO дело обстоит иначе. Мембранное разделение процесса FO фактически приводит к «торговле» между растворенными веществами исходного раствора и вытяжного раствора. В зависимости от концентрации растворенных веществ в сырье (которая определяет необходимую концентрацию растворенных веществ в вытяжке) и предполагаемого использования продукта процесса FO, этот этап может быть всем, что требуется.
Процесс прямого осмоса также известен как осмос, или в случае ряда компаний, которые ввели свою собственную терминологию «инженерный осмос» и «управляемый осмос».
Пакет для гидратации перед использованием Один из примеров применения этого типа можно найти в «мешках для гидратации», в которых используется съедобный извлекают растворенное вещество и предназначены для отделения воды от разбавленного сырья. Это позволяет, например, попадать внутрь воды из поверхностных вод (ручьи, пруды, лужи и т. Д.), Которые, как ожидается, могут содержать патогены или токсины, которые легко отторгаются FO мембрана. При достаточном времени контакта такая вода будет проникать через мембранный мешок в раствор для вытяжки, оставляя нежелательные составляющие сырья. Разбавленный раствор для вытяжки можно сразу проглотить. Обычно растворенные вещества при вытяжке представляют собой сахара, такие как глюкоза или фруктоза, которые обеспечивают дополнительное питание пользователя устройства FO. Дополнительный интерес, связанный с такими мешками, заключается в том, что их можно легко использовать для переработки мочи, что значительно расширяет возможности туриста или солдата выживать в засушливых условиях. В принципе, этот процесс также можно использовать с источниками питательной воды с высокой концентрацией соли, такими как морская вода, поскольку одним из первых предполагаемых применений FO с поглощаемыми растворенными веществами было выживание в спасательных плотах в море.
Контейнерная опреснительная установка с прямым осмосом компании Modern Water в Эль-Халуфе, Оман Опресненная вода может быть получена из разбавленного раствора вытяжного / осмотического агента с использованием второго процесса. Это может быть мембранное разделение, термический метод, физическое разделение или комбинация этих процессов. Этот процесс имеет свойство изначально низкого загрязнения из-за первой стадии прямого осмоса, в отличие от обычных опреснительных установок обратного осмоса, где загрязнение часто является проблемой. Modern Water развернула опреснительные установки на основе прямого осмоса в Гибралтаре и Омане. В марте 2010 г. журнал National Geographic назвал прямой осмос одной из трех технологий, обещающих снизить энергетические потребности опреснения.
Простая схема прямого осмоса, применяемая для производства подпиточной воды для испарительного охлаждения Разработано еще одно приложение, в котором используется только этап прямого осмоса, находится в подпиточной воде испарительного охлаждения. В этом случае охлаждающая вода представляет собой вытяжной раствор, а вода, потерянная при испарении, просто заменяется водой, полученной прямым осмосом из подходящего источника, такого как морская вода, солоноватая вода, очищенные сточные воды или промышленные сточные воды. Таким образом, по сравнению с другими процессами «опреснения », которые могут использоваться для подпиточной воды, потребление энергии составляет лишь небольшую часть от них, с дополнительным преимуществом, заключающимся в низкой склонности к загрязнению процесса прямого осмоса.
В случае, когда желаемым продуктом является пресная вода, не содержащая растворенных веществ при вытяжке, требуется вторая стадия разделения. Первый этап разделения FO, управляемый градиентом осмотического давления, не требует значительных затрат энергии (только перемешивание без давления или перекачивание соответствующих растворов). Однако второй этап разделения обычно требует ввода энергии. Один из методов, используемых на втором этапе разделения, - это использование обратного осмоса. Этот подход использовался, например, при обработке полигона фильтрата. Мембранное разделение FO используется для отвода воды из исходных продуктов выщелачивания в солевой раствор (NaCl). Разбавленный рассол затем проходит через процесс обратного осмоса для получения пресной воды и концентрата рассола многоразового использования. Преимущество этого метода заключается не в экономии энергии, а в том, что процесс FO более устойчив к засорению исходным продуктом выщелачивания, чем только процесс обратного осмоса. Подобный гибрид FO / RO был использован для концентрации пищевых продуктов, таких как фруктовый сок.
Oasys FO Pilot System Концентрация рассола Использование прямого осмоса может быть достигнуто с помощью вытяжного раствора с высоким осмотическим давлением со средствами для его восстановления и регенерации. В одном из таких процессов используется процесс прямого осмоса аммиак-диоксид углерода (NH 3 / CO 2), изобретенный в Йельском университете Робом МакГиннисом, который впоследствии основал Oasys Water для коммерциализации технологии. Поскольку аммиак и диоксид углерода легко диссоциируют на газы с использованием тепла, растворенные вещества при вытяжке можно эффективно извлекать и повторно использовать в системе с замкнутым контуром, достигая разделения за счет преобразования тепловой энергии в осмотическое давление. Концентрация солевого раствора NH 3 / CO 2 FO первоначально была продемонстрирована в нефтегазовой промышленности для обработки пластовой воды в районе Пермского бассейна в Техасе, и в настоящее время используется в энергетике и заводов-производителей в Китае.
Предварительная очистка питательной воды на основе прямого осмоса для многоступенчатой мгновенной дистилляции Одно неосуществленное применение - «смягчение» или предварительную обработку питательной воды для установок многоступенчатой мгновенной испарения (MSF) или многоступенчатой дистилляции (MED) путем осмотического разбавления рециркулирующего рассола охлаждающей водой. Это снижает концентрацию накипи, образующей карбонат кальция и сульфат кальция, по сравнению с обычным процессом, что позволяет увеличить верхнюю температуру рассола (TBT), производительность и коэффициент увеличения производительности (GOR). Дарвиш и др. показали, что TBT может быть увеличен с 110 ° C до 135 ° C при сохранении того же индекса масштабирования для сульфата кальция.
Простая схема выработки энергии PRO В 1954 году Паттл предположил, что существует неиспользованный источник энергии, когда река смешивается с морем, с точки зрения потерянного осмотического давления, однако это было только в середине 70-х годов, когда был описан практический метод его использования с использованием селективно проницаемых мембран Лебом и независимо Еллинеком. Этот процесс был назван Лебом осмосом с задержкой под давлением (PRO), и одна упрощенная реализация показана напротив. Некоторые ситуации, которые могут быть предусмотрены для его использования, включают использование дифференциального осмотического давления между низкой солоноватой рекой, впадающей в море, или рассолом и морской водой. Мировой теоретический потенциал осмотической мощности оценивается в 1 650 ТВтч / год.
Пилотная установка Statkraft PRO В последнее время значительный объем исследовательских и опытно-конструкторских работ был проведен и профинансирован Statkraft, государственным энергетическим сектором Норвегии. Компания. Опытный образец завода был построен в Норвегии с валовой мощностью от 2 до 4 кВт; см. прототип осмотической мощности Statkraft в Hurum. Рассматривался вариант установки гораздо более крупной электростанции мощностью 1-2 МВт в Сунндалсёре, в 400 км к северу от Осло, но впоследствии от нее отказались. Организация по развитию новой энергии и промышленных технологий (NEDO) в Японии финансирует работы по осмотической энергии.
Прямой осмос (FO) имеет много положительных аспектов при очистке промышленных стоков, содержащих много различных загрязняющих веществ, а также при очистке соленых вод. Когда эти вытяжные стоки содержат от умеренных до низких концентраций удаляемых агентов, мембраны FO действительно эффективны и обладают гибкостью, позволяющей адаптировать мембрану в зависимости от качества, желаемого для получаемой воды. Системы FO также действительно полезны при использовании их в сочетании с другими видами систем очистки, поскольку они компенсируют недостатки, которые могут иметь другие системы. Это также полезно в процессах, в которых восстановление определенного продукта важно для минимизации затрат или повышения эффективности, таких как процессы производства биогаза.
Основным недостатком процессов FO является высокий фактор загрязнения, с которым они могут столкнуться. Это происходит при очистке сточных вод с высоким уровнем насыщения, в результате чего мембрана забивается и перестает выполнять свою функцию. Это означает, что необходимо остановить процесс и очистить мембрану. Эта проблема возникает реже при других видах обработки мембран, поскольку они имеют искусственное давление, заставляющее проникать через мембрану, что снижает эффект загрязнения. Также есть проблема с еще не разработанной мембранной технологией. Это влияет на процессы FO, поскольку используемые мембраны дороги, не очень эффективны или не идеальны для желаемой функции. Это означает, что во много раз используются другие более дешевые и простые системы, а не мембраны.
В настоящее время в отрасли используется мало процессов с использованием мембран из FO (и мембранных технологий в целом), поскольку это сложные процессы, которые также дороги и требуют большого количества процедур очистки и иногда работают только при определенных условиях, которые в промышленности не всегда можно обеспечить. По этой причине основное внимание в будущем в мембранах уделяется совершенствованию технологии, чтобы она стала более гибкой и подходящей для общего промышленного использования. Это будет достигаться путем инвестирования в исследования и постепенного вывода этих разработок на рынок, чтобы снизить стоимость производства по мере производства большего количества мембран. В соответствии с текущими разработками можно гарантировать, что через несколько лет мембраны будут широко использоваться во многих различных промышленных процессах (не только для очистки воды), и что появится много областей, в которых можно будет использовать процессы с оптоволоконным покрытием.
Область текущих исследований в FO включает прямое удаление растворенных веществ, в данном случае с помощью магнитного поля. Небольшие (наноразмерные) магнитные частицы взвешиваются в растворе, создавая осмотическое давление, достаточное для отделения воды от разбавленного сырья. После того, как раствор для вытяжки, содержащий эти частицы, был разбавлен потоком воды FO, они могут быть отделены от этого раствора с помощью магнита (либо на стороне гидратационного мешка, либо вокруг трубы на линии в установившемся процессе.).
|journal=()