Direct Contact Membrane Distillation
- Wprowadzenie
- Funkcja procesu
- Zalety i wady
- Zastosowania w przemyÅ›le przetwórczym
1) Wprowadzenie
Destylacja membranowa (MD) to proces transportu napÄ™dzany termicznie, wykorzystujÄ…cy membrany hydrofobowe. SiÅ‚Ä… napÄ™dowÄ… tej metody jest różnica prężnoÅ›ci par miÄ™dzy dwiema stronami porów membrany, umożliwiajÄ…ca wymianÄ™ masy i ciepÅ‚a lotnych skÅ‚adników roztworu (np. wody). Prostota MD, a także fakt, że może ona wykorzystywać ciepÅ‚o odpadowe i/lub alternatywne źródÅ‚a energii, takie jak energia sÅ‚oneczna i geotermalna, umożliwiajÄ… Å‚Ä…czenie MD z innymi procesami w zintegrowane systemy, co czyni jÄ… obiecujÄ…cÄ… technikÄ… separacji.
Rys. 1. PotencjaÅ‚ ciepÅ‚a odpadowego w poszczególnych sektorach przemysÅ‚u w UE (%), WstÄ™pna ocena potencjaÅ‚u ciepÅ‚a odpadowego w gÅ‚ównych gaÅ‚Ä™ziach przemysÅ‚u europejskiego (2107)
2) Funkcja procesu
Rys. 2. Uproszczony schemat procesu MD.
SiÅ‚Ä… napÄ™dowÄ… procesu destylacji mechanicznej (MD) jest różnica ciÅ›nieÅ„ par, która powstaje w wyniku różnicy temperatur po obu stronach membrany. Ponieważ siÅ‚a napÄ™dowa nie jest czysto termicznÄ… siÅ‚Ä… napÄ™dowÄ…, destylacjÄ™ mechanicznÄ… (MD) można prowadzić w znacznie niższej temperaturze (30-60°C) niż w przypadku konwencjonalnej destylacji termicznej. Hydrofobowa natura membrany zapobiega przedostawaniu siÄ™ czÄ…steczek wody do wnÄ™trza membrany ze wzglÄ™du na napiÄ™cia powierzchniowe. To ostatnie nie dotyczy jednak pary wodnej, która wytwarza różnicÄ™ ciÅ›nieÅ„ i przemieszcza siÄ™ przez system porów membrany, kondensujÄ…c siÄ™ po przeciwnej, chÅ‚odnej stronie membrany. Proces usuwa ok. 85% wody z roztworu zasilajÄ…cego i można go podsumować w trzech etapach: (1) utworzenie szczeliny parowej na granicy faz gorÄ…cego roztworu zasilajÄ…cego; (2) transport fazy parowej przez ukÅ‚ad mikroporowaty; (3) kondensacja pary na zimnej stronie membrany – na granicy faz roztworu permeatu.
Sposób wytwarzania różnicy ciÅ›nieÅ„ pary po obu stronach membrany jest determinowany przez konfiguracjÄ™ moduÅ‚u MD. W najczęściej stosowanej konfiguracji, destylacji membranowej z bezpoÅ›rednim kontaktem (DCMD), strona permeatu skÅ‚ada siÄ™ z cieczy kondensacyjnej (czÄ™sto czystej wody), która ma bezpoÅ›redni kontakt z membranÄ…. Alternatywnie, odparowany rozpuszczalnik można zebrać na powierzchni kondensacyjnej, którÄ… można oddzielić od membrany za pomocÄ… szczeliny powietrznej (AGMD) lub próżni (VMD), albo odprowadzić za pomocÄ… zimnego, obojÄ™tnego gazu zmiatajÄ…cego (SGMD).
Rys. 3, Konfiguracje MD.
Wybór membrany jest najważniejszym czynnikiem wpÅ‚ywajÄ…cym na wydajność separacji MD. IstniejÄ… dwa popularne typy konfiguracji membran:
- Membrana z wÅ‚ókien kanalikowych, wytwarzana gÅ‚ównie z polipropylenu (PP), polifluorku winylidenu (PVDF) oraz PVDF-politetrafluoroetylenu (PTFE), materiaÅ‚u kompozytowego
- Membrana arkuszowa, wytwarzana gÅ‚ównie z PP, PTFE i PVDF
PTFE charakteryzuje siÄ™ najwyższÄ… hydrofobowoÅ›ciÄ…, dobrÄ… stabilnoÅ›ciÄ… chemicznÄ… i termicznÄ… oraz odpornoÅ›ciÄ… na utlenianie, ale ma najwyższÄ… przewodność, co powoduje wiÄ™kszy transfer ciepÅ‚a przez membrany PTFE (zmniejszajÄ…c tym samym różnicÄ™ temperatur i transfer pary wodnej). PVDF charakteryzuje siÄ™ dobrÄ… hydrofobowoÅ›ciÄ…, odpornoÅ›ciÄ… termicznÄ… i wytrzymaÅ‚oÅ›ciÄ… mechanicznÄ… i można go Å‚atwo przygotować w membrany o różnorodnej strukturze porów. PP wykazuje dobrÄ… odporność termicznÄ… i chemicznÄ….
Rys. 4. Jednostkowe zużycie energii (SEC) technologii uzdatniania solanki w kWh/m³ w funkcji ich maksymalnej wydajnoÅ›ci TDS w mg/l (ppm). W szeregu przedstawiono destylacjÄ™ rzutowÄ… wielostopniowÄ… (MSF), destylacjÄ™ z wieloma efektami (MED), mechanicznÄ… kompresjÄ™ par (MVC), elektrodializÄ™/elektrodializÄ™ odwróconÄ… (ED/EDR), osmozÄ™ w przód (FO), destylacjÄ™ membranowÄ… (MD). FO i MD mogÄ… wykorzystywać ciepÅ‚o odpadowe do pokrycia do 90% zapotrzebowania na energiÄ™ cieplnÄ….
3) Zalety i wady
Zalety:
- Niskie zapotrzebowanie na energiÄ™
- Niewielki wpływ polaryzacji stężeniowej
- 100% teoretycznego odrzucenia skÅ‚adników nielotnych, brak ograniczeÅ„ stężenia wsadu
Zaletami MD w porównaniu z konwencjonalnymi metodami separacji sÄ… przede wszystkim niższe ciÅ›nienie i niskie wymagania temperaturowe (30-60°C), co przekÅ‚ada siÄ™ na niższe koszty energii i mniejsze obciążenie mechaniczne moduÅ‚ów. W przeciwieÅ„stwie do destylacji i odwróconej osmozy (RO), roztwór wsadowy można rozdzielić w temperaturze poniżej jego temperatury wrzenia (przy ciÅ›nieniu atmosferycznym). DziÄ™ki niskiemu zapotrzebowaniu na ciepÅ‚o odpadowe możliwe jest wykorzystanie przemysÅ‚owego ciepÅ‚a odpadowego, a także odnawialnych źródeÅ‚ energii, takich jak energia sÅ‚oneczna, wiatrowa i geotermalna.
Również w porównaniu z odwróconÄ… osmozynÄ… (RO), MD jest mniej podatna na ograniczenia strumienia spowodowane polaryzacjÄ… stężeÅ„. Bardzo niskie temperatury zasilania pozwalajÄ… uzyskać stosunkowo wysokie iloÅ›ci wody produktowej i mogÄ… być bardziej praktyczne, biorÄ…c pod uwagÄ™ charakter niektórych zanieczyszczeÅ„ wody (np. problemy z osadzaniem siÄ™ kamienia w wysokiej temperaturze). Teoretycznie MD zapewnia 100% retencjÄ™ nielotnych substancji rozpuszczonych, dziÄ™ki czemu nie ma ograniczeÅ„ co do stężenia dostarczanego medium.
Wady:
- Stosunkowo wysokie zużycie energii (chociaż źródÅ‚em energii jest niska temperatura)
- Stosunkowo wysoki koszt modułu
- Niski strumieÅ„ w porównaniu z innymi membranami ciÅ›nieniowymi
- Surfaktyanty lub zanieczyszczenia amfifilowe mogą powodować zwilżanie membrany (przeciekanie roztworu soli przez membranę, zanieczyszczając permeat)
GÅ‚ównymi czynnikami, które wciąż utrudniajÄ… przemysÅ‚owe zastosowanie MD, sÄ… stosunkowo niski strumieÅ„ permeatu w porównaniu z procesami membranowymi opartymi na ciÅ›nieniu, redukcja strumienia spowodowana polaryzacjÄ… stężeÅ„, zanieczyszczeniem i zwilżaniem porów membrany, wysoki koszt moduÅ‚ów MD oraz wysokie zużycie energii cieplnej konsumpcja.
4) Zastosowania w przemyÅ›le przetwórczym
|
Destylacja membranowa