Formação técnica
Nos últimos anos, a escassez de água e a poluição têm sido os principais problemas que assolam o desenvolvimento da sociedade humana. Como utilizar tecnologia eficiente de tratamento de água para obter água doce a partir da água do mar e água salobra, e para reciclar águas residuais industriais, é a chave para resolver a crise hídrica.
Como uma tecnologia eficiente de tratamento de água, a tecnologia de separação por membrana tem características de alta eficiência, operação contínua e forte controlabilidade, e é amplamente utilizada nas áreas de dessalinização de água do mar e tratamento de águas residuais industriais.
No entanto, tecnologias como eletrodiálise (eletrodiálise) e osmose reversa (RO) na tecnologia de separação por membrana ainda apresentam problemas como baixa taxa de utilização térmica, alto consumo de energia, alta pressão de trabalho e poluição secundária. Portanto, novas tecnologias de separação por membranas têm recebido ampla atenção.
VISÃO GERAL
A tecnologia de destilação por membrana (MD) é uma tecnologia de separação por membrana térmica de baixa temperatura desenvolvida com o desenvolvimento da dessalinização por membrana de osmose reversa. Como um novo tipo de tecnologia de membrana movida a calor, tem boas perspectivas de aplicação no campo do tratamento de águas residuais industriais devido às suas condições operacionais amenas, alta taxa de produção de água, bom desempenho de separação e uso de calor residual industrial. Ao mesmo tempo, em comparação com as tecnologias tradicionais de membrana acionadas por pressão, como nanofiltração e osmose reversa, a destilação por membrana não requer água bruta de alta qualidade. Ao tratar águas residuais de alta concentração e difíceis de degradar, pode-se obter água de saída de alta qualidade, que tem sido usada para tratar águas residuais industriais típicas.
PRINCÍPIO
A destilação por membrana pode ser simplesmente considerada como uma combinação de separação por membrana e tecnologia de destilação. É um processo de separação que utiliza uma membrana microporosa hidrofóbica como meio de separação e utiliza a diferença de pressão de vapor em ambos os lados da membrana como força motriz. Um lado da membrana está em contato direto com o líquido bruto. Através da diferença de temperatura em ambos os lados da membrana, uma interface gás-líquido é formada na superfície dos poros da membrana hidrofóbica. A água líquida evapora em vapor e passa pelos poros da membrana, condensando-se em água destilada do outro lado da membrana. As substâncias não voláteis dissolvidas na água não migrarão com o vapor de água, conseguindo assim a separação, concentração e purificação do líquido de alimentação.
A essência do processo de destilação por membrana é o processo de transferência de calor e transferência de massa, e na destilação por membrana, a transferência de calor e a transferência de massa ocorrem simultaneamente.
O método de gás de alta velocidade fluindo através da câmara de fase gasosa para retirar o vapor saturado e depois condensar é chamado de destilação por membrana de varredura de gás, e o método de extrair o vapor da câmara de fase gasosa através do vácuo e condensá-lo é chamado de vácuo destilação por membrana;
O método de fluxo direto de água de resfriamento através da câmara de fase de vapor para absorver o vapor saturado é chamado de destilação por membrana de contato direto;
O método de usar água de resfriamento através de trocadores de calor para condensar instantaneamente o vapor saturado na câmara de fase de vapor é chamado de destilação por membrana com entreferro.
CLASSIFICAR
Durante o processo de destilação por membrana, um lado da membrana está em contato direto com o líquido de alimentação, e o outro lado pode ser dividido em quatro formas diferentes de acordo com os diferentes métodos de condensação (ver Figura 1): destilação por membrana de contato direto (DCMD) , destilação por membrana de air gap (AGMD), destilação por membrana de varredura de gás (SGMD) e destilação por membrana a vácuo (VMD).
Os dois lados da membrana DCMD estão em contato com o líquido de alimentação e com a água de resfriamento circulante, respectivamente. A diferença de pressão de vapor formada pela diferença de temperatura transmembrana impulsiona todo o processo de separação da membrana, e o vapor de água permeado é condensado na água de resfriamento circulante.
AGMD é semelhante ao DCMD, mas uma placa de condensação é adicionada entre o lado quente da membrana e a água de resfriamento circulante, com um espaço de ar de resfriamento no meio. Depois que o vapor d'água passa pela membrana, ele é condensado na placa de resfriamento e coletado.
O SGMD usa diretamente gás seco para purgar continuamente o lado de permeação da membrana de destilação, e o vapor de água permeado é retirado do dispositivo de destilação por membrana e condensado e coletado.
O VMD usa uma bomba de vácuo para bombear o lado de permeação para formar um certo vácuo, e o vapor d'água é extraído e resfriado após passar pela membrana.
VANTAGEM
(1) O processo de destilação por membrana é realizado quase à pressão normal, com equipamentos simples e de fácil operação. Também é possível implementar em áreas com fraca capacidade técnica;
(2) No processo de destilação por membrana de solução aquosa de soluto não volátil, porque apenas o vapor de água pode passar pelos poros da membrana, o destilado é muito puro, o que se espera que se torne um meio eficaz de preparação em larga escala e baixo custo de água ultrapura;
(3) Este processo pode tratar soluções aquosas de concentração extremamente elevada. Se o soluto for uma substância fácil de cristalizar, a solução pode ser concentrada até um estado supersaturado e ocorrerá a cristalização por destilação por membrana. É o único processo de membrana que pode separar diretamente o produto cristalino da solução;
(4) O componente de destilação por membrana pode ser facilmente projetado em uma forma de recuperação de calor latente e tem a flexibilidade para formar um sistema de produção em larga escala com pequenos componentes de membrana eficientes;
(5) Neste processo, não há necessidade de aquecer a solução até ao ponto de ebulição. Desde que a diferença de temperatura entre os dois lados da membrana seja mantida adequadamente, o processo pode ser realizado. É possível usar energia barata, como energia solar, energia geotérmica, fontes termais, calor residual de fábricas e águas residuais industriais quentes.
APLICATIVO
1. Águas residuais petroquímicas
O processo tradicional de tratamento de águas residuais petroquímicas - o processo dos "antigos três conjuntos", nomeadamente "separação-coagulação-filtração de óleo" ou "separação-flutuação-filtração de óleo", é difícil de cumprir o padrão de reinjeção de esgoto para a qualidade da água tratada. Atualmente, a osmose reversa (RO) e o processo de oxidação avançado (AOP) têm sido usados para tratamento de águas residuais petroquímicas, mas o RO tem alto consumo de energia, altos requisitos para a qualidade da água influente e baixa taxa de recuperação de água de saída. A tecnologia AOP representada pela Fenton requer a adição de produtos químicos, o que produz uma grande quantidade de lodo. Em comparação com a tecnologia tradicional de dessalinização, a destilação por membrana pode tratar águas residuais com um TDS de até 350,000 mg/L, pode operar a uma pressão mais baixa e tem melhor adaptabilidade às águas residuais petroquímicas.
Uma determinada aplicação de engenharia mostra que a taxa de dessalinização do DCMD no tratamento de águas residuais petroquímicas altamente mineralizadas chega a 99% e pode remover com eficácia outros poluentes, como o carbono orgânico. No entanto, a destilação por membrana tem alto consumo de energia e não é tão econômica quanto a OR. Em comparação com tecnologias de membrana acionadas por pressão (como RO), a destilação por membrana tem uma menor tendência à incrustação, mas a incrustação e o umedecimento da membrana levarão a uma diminuição na taxa de produção de água e na qualidade da água, especialmente sob condições de alta recuperação. A fim de retardar o umedecimento da membrana, a membrana de destilação pode ser modificada para melhorar as propriedades anti-incrustantes e anti-umedecimento da membrana.
2. Águas residuais de dessulfuração de usinas termelétricas a carvão
Os métodos convencionais de tratamento para águas residuais de dessulfuração incluem métodos físicos, químicos e biológicos. Entre eles, métodos químicos são frequentemente usados para remover SS e metais pesados, mas quando a qualidade e o volume da água flutuam muito, a eficiência de remoção deste método não é alta e Cl e F- não podem ser removidos com eficácia. Quando a floculação é usada para remover SS e precipitados metálicos, a velocidade de separação é lenta porque os precipitados metálicos costumam ter tamanho submícron ou nanômetro. Tecnologias de membrana como microfiltração (MF) e ultrafiltração (UF) têm sido utilizadas para o tratamento de águas residuais por dessulfuração, mas as águas residuais tratadas não podem ser descarregadas diretamente ou reutilizadas devido à sua alta concentração de TDS. A destilação por membrana não requer água influente de alta qualidade e pode tratar com eficácia águas residuais contendo sal em alta concentração. Tem recebido atenção crescente na área de tratamento de águas residuais por dessulfuração.
O uso da tecnologia de destilação por membrana para tratar águas residuais de dessulfuração pode obter água de saída de alta qualidade. No entanto, devido à presença de poluentes de baixa energia superficial nas águas residuais, é fácil causar molhamento e contaminação da membrana, o que levará à deterioração da qualidade da água efluente, encurtará a vida útil da membrana e aumentará o custo do tratamento.
Nos últimos anos, em resposta aos problemas de contaminação e molhamento das membranas, os processos combinados têm recebido atenção especial. Estudos descobriram que o acoplamento da destilação por membrana com outros processos (como FO-MD) tem melhores efeitos de tratamento do que a tecnologia de destilação por membrana única e pode efetivamente retardar a contaminação e umedecimento da membrana e aumentar a vida útil da membrana. Estudos demonstraram que a combinação da coagulação magnética com cal e da destilação por membrana para o tratamento de águas residuais por dessulfuração pode obter água de saída de alta qualidade, e a membrana não apresenta molhamento da membrana sob operação de longo prazo.
3. Águas residuais radioativas
Actualmente, o principal processo de tratamento de águas residuais radioactivas no meu país é a floculação, precipitação-evaporação-troca iónica, em que a precipitação da floculação e a troca iónica produzirão um grande número de poluentes secundários, e o consumo de energia da concentração de evaporação é demasiado elevado. Estudos demonstraram que tecnologias de membrana acionadas por pressão, como o OR, podem separar efetivamente substâncias radioativas, mas a eficiência de remoção do OR para o boro é de apenas 40% a 80%. Embora a taxa de remoção do ácido bórico possa ser aumentada ajustando o pH, devido ao efeito tampão do ácido bórico, uma grande quantidade de álcali precisa ser adicionada para ajuste para aumentar a salinidade do boro, reduzindo assim a produção de água do RO.
Para remover pequenos isótopos radioativos de íons em águas residuais, é necessário combinar a tecnologia de membranas acionadas por pressão com a complexação química. A chave está na regeneração do agente complexante, sendo necessária filtração adicional. Quando a destilação por membrana trata águas residuais radioativas, a pressão osmótica e a polarização da concentração têm pouco efeito no fluxo da membrana e pode operar em alta salinidade.
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). Além disso, a solubilidade do ácido bórico muda significativamente com a temperatura. A cristalização por destilação por membrana (VMDC) pode aproveitar ao máximo esse recurso para concentrar ácido bórico em águas residuais.
O contato entre a membrana de destilação e as substâncias radioativas pode facilmente destruir a estabilidade da membrana e até causar a degradação da membrana. Portanto, a membrana de destilação deve ter resistência à radiação suficiente. Estudos demonstraram que a modificação da fluoração da membrana pode melhorar a resistência à radiação da membrana.
4. Águas residuais de coqueamento
As águas residuais da coqueificação têm um odor pungente e contêm um grande número de poluentes tóxicos e difíceis de degradar. As tecnologias de tratamento tradicionais incluem principalmente métodos de tratamento físico e químico, como extração com solvente de compostos fenólicos e remoção de amônia, bem como métodos de tratamento biológico, como o método de lodo ativado. No entanto, as águas residuais tratadas ainda contêm uma grande quantidade de sais e compostos biodegradáveis, como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos e compostos heterocíclicos.
Após processos de pré-tratamento, como remoção de óleo e destilação de amônia, as águas residuais de coque ainda podem manter uma temperatura de cerca de 50 graus, o que fornece condições favoráveis para a destilação por membrana para usar o calor residual industrial para tratar águas residuais de coque. Nos últimos anos, a aplicação da tecnologia de destilação por membrana ao tratamento de águas residuais de coque tornou-se gradualmente um ponto importante de pesquisa. Os resultados da pesquisa mostram que a destilação por membrana tem uma alta eficiência de remoção de substâncias não voláteis, e a taxa de remoção de poluentes nas águas residuais é principalmente superior a 98%.
No entanto, poluentes hidrofóbicos em águas residuais, como hidrocarbonetos aromáticos e compostos heterocíclicos, apresentam forte afinidade com membranas hidrofóbicas, o que pode facilmente levar ao umedecimento e incrustação da membrana. As propriedades anti-incrustantes e anti-umectantes da membrana podem ser melhoradas através do pré-tratamento das águas residuais ou da modificação da membrana.
5. Águas residuais farmacêuticas
Na tecnologia de membrana, o RO tem um bom efeito de tratamento em águas residuais farmacêuticas, mas o consumo de energia é alto, e o RO tem um efeito de tratamento ruim em compostos neutros de baixo peso molecular, como a N-nitrosodimetilamina (NDMA). Nos últimos anos, a tecnologia de destilação por membrana tem sido gradualmente utilizada para o tratamento de águas residuais farmacêuticas. Na literatura, a destilação por membrana é usada para tratamento de águas residuais farmacêuticas, e a taxa de remoção de medicamentos como antibióticos e compostos fenólicos em águas residuais pode chegar a 99%. No entanto, as substâncias hidrofóbicas nas águas residuais são fáceis de escalar na superfície da membrana, reduzindo o fluxo da membrana. O pré-tratamento de águas residuais, como floculação e precipitação, combinado com a destilação por membrana, pode efetivamente aliviar a incrustação da membrana e melhorar a taxa de remoção de medicamentos em águas residuais farmacêuticas. Além disso, a combinação de outros processos com destilação por membrana (como o processo de acoplamento MBR-MD) pode efetivamente remover vestígios de medicamentos em águas residuais.
PERSPECTIVA
A tecnologia de destilação por membrana desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos e começou a ser usada para tratar águas residuais industriais típicas, como águas residuais petroquímicas, águas residuais de dessulfuração e águas residuais de coque, mas enfrenta muitos problemas, como baixa taxa de utilização de calor, alto custo da membrana, poluição da membrana e molhar.
Mais pesquisas são necessárias nos seguintes aspectos:
① Reduzir o consumo de energia do sistema de destilação por membrana, melhorar a eficiência de utilização do calor e realizar pesquisas sobre energia solar, geotérmica e outras tecnologias de acoplamento com destilação por membrana;
② Desenvolver novos materiais de membrana, projetar componentes de membrana diversificados e melhorar o fluxo da membrana;
③ Para o mecanismo de formação e medidas preventivas de incrustação da membrana, a influência das características de incrustação, características da membrana, ambiente operacional e características do material no mecanismo de formação de incrustação pode ser profundamente discutida;
④ Atualmente há poucas pesquisas sobre a avaliação do ciclo de vida da destilação por membrana.
Portanto, realizar uma avaliação do ciclo de vida do sistema de destilação por membrana também é uma das direções de pesquisas futuras.