Direct Contact Membrane Distillation
- Wprowadzenie
- Funkcja procesu
- Zalety i wady
- Zastosowania w przemyśle przetwórczym
1) Wprowadzenie
Destylacja membranowa (MD) to proces transportu napędzany termicznie, wykorzystujący membrany hydrofobowe. Siłą napędową tej metody jest różnica prężności par między dwiema stronami porów membrany, umożliwiająca wymianę masy i ciepła lotnych składników roztworu (np. wody). Prostota MD, a także fakt, że może ona wykorzystywać ciepło odpadowe i/lub alternatywne źródła energii, takie jak energia słoneczna i geotermalna, umożliwiają łączenie MD z innymi procesami w zintegrowane systemy, co czyni ją obiecującą techniką separacji.
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 MD.
Siłą napędową procesu destylacji mechanicznej (MD) jest różnica ciśnień par, która powstaje w wyniku różnicy temperatur po obu stronach membrany. Ponieważ siła napędowa nie jest czysto termiczną siłą napędową, destylację mechaniczną (MD) można prowadzić w znacznie niższej temperaturze (30-60°C) niż w przypadku konwencjonalnej destylacji termicznej. Hydrofobowa natura membrany zapobiega przedostawaniu się cząsteczek wody do wnętrza membrany ze względu na napięcia powierzchniowe. To ostatnie nie dotyczy jednak pary wodnej, która wytwarza różnicę ciśnień i przemieszcza się przez system porów membrany, kondensując się po przeciwnej, chłodnej stronie membrany. Proces usuwa ok. 85% wody z roztworu zasilającego i można go podsumować w trzech etapach: (1) utworzenie szczeliny parowej na granicy faz gorącego roztworu zasilającego; (2) transport fazy parowej przez układ mikroporowaty; (3) kondensacja pary na zimnej stronie membrany – na granicy faz roztworu permeatu.
Sposób wytwarzania różnicy ciśnień pary po obu stronach membrany jest determinowany przez konfigurację modułu MD. W najczęściej stosowanej konfiguracji, destylacji membranowej z bezpośrednim kontaktem (DCMD), strona permeatu składa się z cieczy kondensacyjnej (często czystej wody), która ma bezpośredni kontakt z membraną. Alternatywnie, odparowany rozpuszczalnik można zebrać na powierzchni kondensacyjnej, którą można oddzielić od membrany za pomocą szczeliny powietrznej (AGMD) lub próżni (VMD), albo odprowadzić za pomocą zimnego, obojętnego gazu zmiatającego (SGMD).
Rys. 3, Konfiguracje MD.
Wybór membrany jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na wydajność separacji MD. Istnieją dwa popularne typy konfiguracji membran:
- Membrana z włókien kanalikowych, wytwarzana głównie z polipropylenu (PP), polifluorku winylidenu (PVDF) oraz PVDF-politetrafluoroetylenu (PTFE), materiału kompozytowego
- Membrana arkuszowa, wytwarzana głównie z PP, PTFE i PVDF
PTFE charakteryzuje się najwyższą hydrofobowością, dobrą stabilnością chemiczną i termiczną oraz odpornością na utlenianie, ale ma najwyższą przewodność, co powoduje większy transfer ciepła przez membrany PTFE (zmniejszając tym samym różnicę temperatur i transfer pary wodnej). PVDF charakteryzuje się dobrą hydrofobowością, odpornością termiczną i wytrzymałością mechaniczną i można go łatwo przygotować w membrany o różnorodnej strukturze porów. PP wykazuje dobrą odporność termiczną i chemiczną.
Rys. 4. Jednostkowe zużycie energii (SEC) technologii uzdatniania solanki w kWh/m³ w funkcji ich maksymalnej wydajności TDS w mg/l (ppm). W szeregu przedstawiono destylację rzutową wielostopniową (MSF), destylację z wieloma efektami (MED), mechaniczną kompresję par (MVC), elektrodializę/elektrodializę odwróconą (ED/EDR), osmozę w przód (FO), destylację membranową (MD). FO i MD mogą wykorzystywać ciepło odpadowe do pokrycia do 90% zapotrzebowania na energię cieplną.
3) Zalety i wady
Zalety:
- Niskie zapotrzebowanie na energię
- Niewielki wpływ polaryzacji stężeniowej
- 100% teoretycznego odrzucenia składników nielotnych, brak ograniczeń stężenia wsadu
Zaletami MD w porównaniu z konwencjonalnymi metodami separacji są przede wszystkim niższe ciśnienie i niskie wymagania temperaturowe (30-60°C), co przekłada się na niższe koszty energii i mniejsze obciążenie mechaniczne modułów. W przeciwieństwie do destylacji i odwróconej osmozy (RO), roztwór wsadowy można rozdzielić w temperaturze poniżej jego temperatury wrzenia (przy ciśnieniu atmosferycznym). Dzięki niskiemu zapotrzebowaniu na ciepło odpadowe możliwe jest wykorzystanie przemysłowego ciepła odpadowego, a także odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa i geotermalna.
Również w porównaniu z odwróconą osmozyną (RO), MD jest mniej podatna na ograniczenia strumienia spowodowane polaryzacją stężeń. Bardzo niskie temperatury zasilania pozwalają uzyskać stosunkowo wysokie ilości wody produktowej i mogą być bardziej praktyczne, biorąc pod uwagę charakter niektórych zanieczyszczeń wody (np. problemy z osadzaniem się kamienia w wysokiej temperaturze). Teoretycznie MD zapewnia 100% retencję nielotnych substancji rozpuszczonych, dzięki czemu nie ma ograniczeń co do stężenia dostarczanego medium.
Wady:
- Stosunkowo wysokie zużycie energii (chociaż źródłem energii jest niska temperatura)
- Stosunkowo wysoki koszt modułu
- Niski strumień w porównaniu z innymi membranami ciśnieniowymi
- Surfaktyanty lub zanieczyszczenia amfifilowe mogą powodować zwilżanie membrany (przeciekanie roztworu soli przez membranę, zanieczyszczając permeat)
Głównymi czynnikami, które wciąż utrudniają przemysłowe zastosowanie MD, są stosunkowo niski strumień permeatu w porównaniu z procesami membranowymi opartymi na ciśnieniu, redukcja strumienia spowodowana polaryzacją stężeń, zanieczyszczeniem i zwilżaniem porów membrany, wysoki koszt modułów MD oraz wysokie zużycie energii cieplnej konsumpcja.
4) Zastosowania w przemyśle przetwórczym
|
Destylacja membranowa