Transcript презентацию
Возможности технологии обратного осмоса Пантелеев А.А. Зав. кафедры ТВТ МЭИ (ТУ), д.ф-м.н. Основные процессы корректировки солевого состава воды Дистилляция Обратный осмос 50 000 50 Электродиализ 300 Ионный обмен 0 4/9/2015 10 000 600 Солесодержание исходной воды, мг/л 100 000 Обратный осмос (RO) – удаление растворенных солей, молекул Обратный осмос (RO) – удаление растворенных неорганической и органической природы солей, молекул неорганической и органической природы (с молекулярным весом от 100 у.е.); (с молекулярным весом рабочее давление до 83100 атм.; – 200 у.е.); селективность мембранного элемента до 99,8 % рабочее давление до 83 атм.; (но не установки!!!) селективность мембранного элемента до 99,8 % (но не установки!!!) Основные представления об обратноосмотических явлениях Схема процесса осмосаа Энергетика Микроэлектроника Химия и нефтехимия P(1) = Pp1 + π1 P(2) = Pp2 + π2 π – давление растворенных ионов Растворитель (вода) перемещается в область низкого давления 4 Основные представления об обратноосмотических явлениях Обратный осмос – процесс вынужденный Движущая сила – внешнее давление Рвн Pp1 + π1 + pвн Pp1 + π2 π = Σ πi осмотическое давление πi = fiC iRT, Ci – концентрация иона типа i fi – активность, C = Σ Ci – общая концентрация Для водного раствора С = 1 г/л -> π ≈ 0,8 атм С = 35 г/л -> π ≈ 27 атм 5 Основные представления об обратноосмотических явлениях Почему не разрывается стакан с морской водой, где π > 25 атм ? +А В С А – ион с прочно связанными молекулами Н2О В – участок разрушенной структуры С – структурно нормальная вода Химическая структура современной композиционной мембраны Амины Карбоксилаты Конструкция современной тонкопленочной композитной мембраны на основе полиамида (на примере Filmtec FT30) Полиамид ультратонкий слой 0.2 мкм 40 мкм 120 мкм Полиэстер (полиэфир основа из нетканого материала) Вид поверхности и срез мембраны под микроскопом Полиамид Полисульфон Полиэстер 8 Основные характеристики процесса мембранного разделения Свх Qвх Ск Qк Сф Qф Свх Qвх Ск Qру Сф Qф Ск Qк 9 Основные характеристики процесса мембранного разделения Типичная конструкция многокаскадной УОО Каскад – это набор модулей, объединенных общим пермеатным коллектором Пермеат Концентрат 11 Процессы концентрирования в мембранных системах Продольное концентрирование Ск - - локальное содержание солей в концентрате Ск = <Ск> <...> - усреднение по всей площади Ск = Свх * F ϕи , ϕи ≈ 0,99 ÷ 0,98 Ск = Свх * F F 4 1 1 4 6 9 12 Nэл Рабочая область в промышленных ВПУ Ск/Cвх=F 25 50 75 100 Опреснение морской воды ηr Процессы концентрирования в мембранных системах Поперечное концентрирование – концентрационная поляризация (КП) См С0 С0 (х) С0 Сф (0) Сф (х) δ На входе КП нет G – коэффициент конвекции потока δ – пограничный диффузионный слой D – диффузионный поток Сф ст Процессы концентрирования в мембранных системах Свх Свх Сф (0) Сф (0) у х=0 у х x=l Осмотическое давление при Свх=1 г/л πвх ≈ 0,8 атм πвых ≈ 5,6 атм (πвых ≈ 6-6,5 реально с учетом загрязнения) Гидравлические потери Δрг = 3-6 атм Jв = А (Рраб – πвх - Δрг ) Рраб > πвых + Δрг ≈ 12 атм Hвсп + 4РП Hосн Процессы концентрирования в мембранных системах Опреснение морской воды (или обработка концентрированных стоков) Свх ≈ 40 г/л (Красное море) -> πвх ≈ 30 атм F = 2 (ηг = 50%) + КП -> Рраб > 80 атм F = 1,25 -> Рраб ≈ 55-60 атм (ηг = 25%) Реальное концентрирование для стоков не более 100-120 г/л растворенных солей Селективность мембран. Основные зависимости Селективность мембран. Зависимость от молекулярного веса Соединение Молекулярный вес Бор Селективность 50-99 Этанол 46 38-70 Формальдегид 30 35 1,1,1 Трихлоэтан 133 98 1,2 Дибромэтан 173 15 1,2 Дихлорэтан 99 37 1,2,3 Трихлорбензол 181 57 2,4,6 Трихлорфенол 197 99,9 Селективность мембран. Зависимость от молекулярного веса Соединение Молекулярный вес Селективность 4-Этилфенол 122 84 Мочевина 60 70 Гуминовые кислоты 98 Молочная кислота (pH = 2) 90 94 Молочная кислота (pH = 5) 90 99 Хлорид кальция 111 99 Хлорид натрия 58 99 Хлорид цезия 168 97 SiO2 60 98 Селективность мембран. Зависимость от молекулярного веса Соединение Молекулярный вес Селективность SiO2 60 98 Na(HCO3) 84 98 Бромид натрия 103 96 Фторид натрия 42 99 Серная кислота 98 84 Селективность мембран. Основные зависимости + Средние межионные расстояния в растворе 1-1 электролита Концентрация, моль/л 0,001 0,01 0,1 1,0 Межионное расстояние, А 94 44 20 9,4 Зависимость селективности от концентрации Экспериментальные данные, рН = 6-7,5, t = 25°C, ƞг = 50% μ2 ~ 0,5 – 2 мкСим/см –удельная электропроводность фильтрата двухступенчатой УОО, т.е. ρ2 ~ 2 – 0,5 МОм·см 120 100 S,% 80 60 40 20 0 1 5 10 100 Cвх, мг/л 1000 10000 100000 Зависимость селективности от концентрации Теория: селективность при малых концентрациях не падает 120 100 S,% 80 60 40 20 0 0.1 1 10 100 1000 10000 Cвх, ммоль/л 2012г, Двухступенчатая УОО с двухступенчатой декарбонизацией: ρ2 ~ 5 МОм·см !!! Зависимость селективности от давления Свх = const T = const ηг= const 4 S Cф ; Qф 3 2 Qф Cф 1 0 8 13 18 P, атм 8 10 12 14 16 Р, атм 18 20 22 Зависимость селективности от температуры Свх = 585мг/л, NaCl, ƞг= 15% 4.5 4 CФ, мг/л 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 5 10 15 20 25 t°, C Зависимость производительности от температуры 2.5 Qф 2 1.5 1 0.5 3 8 13 18 t, 0C 23 Зависимость селективности от pH Свх = 585мг/л, NaCl, ƞг= 15%, t =25% 10 9 8 7 Сф 6 5 4 NaCl 3 2 1 0 4 5 6 7 8 рН 9 10 11 12 Зависимость селективности от pH Бор, Свх = 10 мг/л, ƞг= 15%, t =25% 7 100 90 6 70 4 60 S, % Сф, мг/л 80 5 3 50 40 30 2 20 1 10 0 0 5 7 9 pH 11 13 5 7 9 pHвх 11 13 Селективность мембран Выводы Селективность и производительность мембран ( также МЭ и УОО) существенно зависит от: - концентрации солей - температуры - рабочего давления - рН воды - гидравлического КПД Также имеется зависимость от условий эксплуатации: - времени наработки - качества подготовленной воды - проектно-технологических решений Дополнительные факторы Кроме того от физико-химических параметров растворов могут зависеть и контрольно-измерительные приборы (КИП) , например: - Электропроводность, рН, приборы измерения ТОС, измерение потоков (ротаметры) и др. – существенно зависит от температуры - Приборы измерения потоков, рН – от концентрации ПРОБЛЕМА : Зависимость работы, системы управления, неоднозначность диагностики состояния УОО от широкого круга параметров Устойчивость работы УОО Моделирование систем обратного осмоса Расчетные программы поставщиков МЭ: • • • • • • • Оценка показателей качества фильтрата (начало фильтроцикла) Оценка энергозатрат (точность около 25-30%) Оценка гидравлических потерь Расчет критических параметров отложения солей Проектирование гидравлики потоков в каскадах и ступенях Оценка потребления ингибитора и кислоты Оценка влияния того или иного типа предподготовки на качественные показатели работы системы • Справочный материал по МЭ Работа с расчетными программами - интересный и несложный процесс Моделирование систем обратного осмоса Пилотные установки – возможности и ограничения • Фактическое определение возможностей МЭ, подбор оптимального типа • Определение возможностей различных типов предподготовки (3-6 месяцев) • Определение параметров очистки для сложных сред, не входящих в расчетные программы • Частичное определение гидравлических параметров Пилотные установки должны базироваться на модулях длиной 40” Две возможности мембранных технологий — производство воды производство энергии Традиционный подход — очистка Нетрадиционный — производство энергии «ГРЯЗНАЯ» ВОДА МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ ЭНЕРГИЯ ЧИСТАЯ ВОДА «ГРЯЗНАЯ» ВОДА МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ ЧИСТАЯ ВОДА ЭНЕРГИЯ Что это может дать Общий запас Wобщ = Qвсех рек ∙ Eсмеш ≈ 2 ТВт ≈ Современное потребление электроэнергии во всем мире Доступные ресурсы Pдоступ ≈ 2000 ТВт∙ч/год ≈ 10% современного потребления электроэнергии во всем мире Два наиболее вероятных пути решения задачи Электродиализ наоборот RED, Pattle 1953 Wmax ≈ 0.8 Вт/м2 Veerman et al. 2010 Прямой осмос с противодавлением PRO, Loeb 1973 Wmax ≈ 5 Вт/м2 Achilli et al. 2009 Ожидаемые показатели PRO J w Aw P Wmech J wP AwPP Wmax Wmech (P / 2) Aw 2 / 4 Осмотическое давление морской воды πsea ≈ 26 КПа Осмотическое давление пресной воды πriver ≈ 0 Wmax / J max Emax / Qmax / 2 1.3 МДж/м3 При А ≈ 4∙10-12 м/(c∙Па) Wmax 7 Вт/м2 50 стеков по 8 модулей по 250 м2 мембраны каждый = 1МВт История развития технологии PRO Внутренняя концентрационная поляризация — главная причина отличия J w Aw P Gordon et al. 2006 PRO flux RO flux high J w K w ln low Для реализации PRO нужны мембраны нового типа CTA-мембрана, HydrationTechnology Inc. Yin Yip et al. 2010 TFC-RO мембрана Cath et al. 2006 Другое решение – FO композитные мембраны TFC-RO мембрана TFC-FO мембрана Для реализации PRO нужны мембранные модули нового типа Отличие от RO — проток с обеих сторон мембраны Рулонный PRO модуль (такое же решение используется в рулонных EDI-модулях) Для реализации PRO нужны эффективные гидравлические решения Механические, а не электрические устройства подачи воды Прототип по-норвежски – PROэлектростанция Statkraft в Tofte Остающиеся проблемы Идеальная мембрана пока не найдена: Высокая проницаемость; Достаточная селективность; Низкая склонность к отложениям; Пригодность для массового производства; Легкость компоновки в модули; Дешевизна. Низкая удельная плотность полезной энергии: Высокая эффективность работы установки; Низкие гидравлические потери; Отказ от предподготовки.