sk-groups.com

Возможности технологии обратного
осмоса
ул. Осенняя, 2а
г. Днепропетровск, Украина, 49017
тел./факс:+38 (056) 785-04-37
е-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
Основные процессы корректировки солевого
состава воды
Дистилляция
Обратный осмос
50 000
50
Электродиализ
300
Ионный обмен
0
5/7/2016
sk-groups.com
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!!!)
sk-groups.com
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
sk-groups.com
4
Основные представления об
обратноосмотических явлениях
Обратный осмос – процесс
вынужденный
Движущая сила – внешнее давление
Рвн
Pp1 + π1 + pвн
sk-groups.com
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
sk-groups.com
Карбоксилаты
Конструкция современной тонкопленочной композитной
мембраны на основе полиамида (на примере Filmtec FT30)
Полиамид
ультратонкий слой
0.2 мкм
40 мкм
120 мкм
sk-groups.com
Полиэстер (полиэфир основа из нетканого материала)
Вид поверхности и срез мембраны
под микроскопом
Полиамид
Полисульфон
Полиэстер
8
sk-groups.com
Основные характеристики процесса
мембранного разделения
Свх
Qвх
Ск
Qк
Сф
Qф
Свх
Qвх
sk-groups.com
Ск
Qру
Сф
Qф
Ск
Qк
9
Основные характеристики процесса
мембранного разделения
sk-groups.com
Типичная конструкция многокаскадной УОО
Каскад – это набор модулей, объединенных общим пермеатным
коллектором
Пермеат
Концентрат
11
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
Селективность мембран. Основные
зависимости
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
Селективность мембран. Зависимость от
молекулярного веса
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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 !!!
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
Зависимость производительности от
температуры
2.5
Qф
2
1.5
1
0.5
3
8
13
18
t, 0C
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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
sk-groups.com
Устойчивость работы УОО
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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”
sk-groups.com
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
sk-groups.com
Два наиболее вероятных пути решения задачи
Электродиализ наоборот
RED, Pattle 1953
Wmax ≈ 0.8 Вт/м2
Veerman et al. 2010
sk-groups.com
Прямой осмос с противодавлением
PRO, Loeb 1973
Wmax ≈ 5 Вт/м2
Achilli et al. 2009
Внутренняя концентрационная поляризация —
главная причина отличия
J w  Aw P   
Gordon et al. 2006
PRO flux
RO flux
sk-groups.com
 high
J w  K w ln
 low
Для реализации PRO нужны
мембранные модули нового типа
Отличие от RO — проток с обеих
сторон мембраны
sk-groups.com
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
sk-groups.com
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:



sk-groups.com
Высокая эффективность работы установки;
Низкие гидравлические потери;
Отказ от предподготовки.