Osmoza do przodu

Rys. 1. Potencjał ciepła odpadowego w poszczególnych sektorach przemysłu w UE (%), Wstępna ocena potencjału ciepła odpadowego w głównych gałęziach przemysłu europejskiego (2107)

2) Funkcja procesu

Rys. 2. Uproszczony schemat procesu FO

FO wykorzystuje różnica ciśnienia osmotycznego (Δπ) pomiędzy roztworem zasilającym (stężenie C₁) a syntetycznym roztworem pobierającym (DS), który przygotowujemy z C₂ > C₁ → π₂ > π₁ → Δπ = π₂ - π₁. Ze względu na Δπ cząsteczki wody z zasilania zaczną przemieszczać się do roztworu pobierającego, tworząc strumień wody, który usuwa ok. 70% wody z zasilania (maks. 65% odzysku (R) dla RO z wodą morską, SWRO i 80% dla RO z wodą słonawą, BWRO). Ponadto, ze względu na fakt, że FO nie wykorzystuje ciśnienia do pokonania ciśnienia osmotycznego, może on poradzić sobie ze znacznie wyższymi poziomami TDS niż RO (ok. 200 000 ppm (mg/l) dla FO i 70 000 ppm (mg/l) dla RO). To sprawia, że FO idealnie nadaje się do solanek o wysokim zasoleniu.

Rys. 3. Jednostkowe zużycie energii (SEC) technologii uzdatniania solanki w kWh/m³ w porównaniu z ich maksymalną wydajnością TDS w mg/l (ppm). W serii mamy wielostopniową destylację rzutową (MSF), destylację wielostopniową (MED), mechaniczną kompresję par (MVC), elektrodializę/elektrodializę odwróconą (ED/EDR), osmozę w przód (FO) oraz destylację membranową (MD). FO i MD mogą wykorzystywać ciepło odpadowe do pokrycia nawet 90% zapotrzebowania na energię cieplną.

Przepływ wody w FO zależy od:

• Różnica ciśnień osmotycznych
• Struktura membrany
• Gatunek DS
• Właściwości zanieczyszczające wsadu

Membrany FO mają strukturę prostą (CTA) i strukturę kompozytową (TFC). Membrany TFC wykazały lepszą wydajność w skali laboratoryjnej na całym świecie.

Gatunki DS to zazwyczaj sole nieorganiczne, które mogą być zatrzymywane w pętli regeneracji przez długi czas, zanim konieczne będzie dodanie kolejnych w tym procesie.

3) Zalety i wady

Zalety:

Z powodu braku ciśnienia warstwa zanieczyszczeń na powierzchni membrany nie jest zwarta, co oznacza, że fizyczne metody czyszczenia pozwalają odzyskać przepływ wody przez membranę (rys. 4). Oznacza to mniejsze zużycie chemikaliów, dłuższą żywotność membrany i niższe ogólne koszty.

Rys. 4. Wyjaśnienie odwracalnego procesu zanieczyszczania FO. Po prawej stronie mamy typową membranę odwróconej osmozy (RO), przez którą stosujemy ciśnienie, aby przepchnąć wodę. Ciśnienie tworzy na powierzchni membrany „warstwę ciasta” z zanieczyszczeń wody zasilającej. Z drugiej strony, po lewej stronie mamy membranę FO, w której nie występuje ciśnienie, dzięki czemu zanieczyszczenia osadzają się bardzo luźno i można je usunąć metodami fizycznymi (np. płukaniem osmotycznym).

Wady:

Osmoza standardowa ma dwa główne problemy:

• Polaryzacja stężeniowa (CP)
• Odwrócony strumień soli

Polaryzacja stężeniowa w membranach FO jest zewnętrzna (ECP) i wewnętrzna (ICP). ECP jest zjawiskiem powszechnym w procesach odwróconej osmozy (RO) i można je ograniczyć, poprawiając warunki przepływu krzyżowego poprzez zastosowanie przekładek na powierzchni membran.

W procesie ICP cząsteczki DS gromadzą się w porach membrany i obniżają gradient ciśnienia osmotycznego, zmniejszając w ten sposób różnicę ciśnień osmotycznych, która jest siłą napędową procesu FO. W ostatnich latach społeczność naukowa podejmowała intensywne wysiłki w celu zwalczania efektu ICP, a metody fizyczne przyniosły obiecujące rezultaty, które mogą poprawić i tak już wysoką wydajność FO.

Przepływ wody przez FO (można go ograniczyć metodami fizycznymi), związki DS mogą zanieczyszczać zasilanie odwróconym przepływem soli (należy zachować ostrożność przy doborze DS)

4) Zastosowania w przemyśle przetwórczym