Antecedentes técnicos
En los últimos años, la escasez de agua y la contaminación han sido los principales problemas que plagan el desarrollo de la sociedad humana. Cómo utilizar tecnología eficiente de tratamiento de agua para obtener agua dulce a partir de agua de mar y agua salobre, y reciclar aguas residuales industriales, es la clave para resolver la crisis del agua.
Como tecnología eficiente de tratamiento de agua, la tecnología de separación por membranas tiene las características de alta eficiencia, operación continua y fuerte controlabilidad, y se usa ampliamente en los campos de la desalinización de agua de mar y el tratamiento de aguas residuales industriales.
Sin embargo, tecnologías como la electrodiálisis (electrodiálisis) y la ósmosis inversa (RO) en la tecnología de separación de membranas todavía tienen problemas como una baja tasa de utilización térmica, un alto consumo de energía, una alta presión de trabajo y una contaminación secundaria. Por lo tanto, las nuevas tecnologías de separación por membranas han recibido amplia atención.
DESCRIPCIÓN GENERAL
La tecnología de destilación por membranas (MD) es una tecnología de separación por membranas térmicas a baja temperatura desarrollada con el desarrollo de la desalinización por membranas de ósmosis inversa. Como nuevo tipo de tecnología de membranas impulsadas por calor, tiene buenas perspectivas de aplicación en el campo del tratamiento de aguas residuales industriales debido a sus suaves condiciones de operación, alta tasa de producción de agua, buen rendimiento de separación y uso de calor residual industrial. Al mismo tiempo, en comparación con las tecnologías tradicionales de membranas impulsadas por presión, como la nanofiltración y la ósmosis inversa, la destilación por membranas no requiere agua cruda de alta calidad. Al tratar aguas residuales de alta concentración y difíciles de degradar, se puede obtener agua de salida de alta calidad y se ha utilizado para tratar aguas residuales industriales típicas.
PRINCIPIO
La destilación por membranas puede considerarse simplemente como una combinación de tecnología de separación y destilación por membranas. Es un proceso de separación que utiliza una membrana microporosa hidrófoba como medio de separación y utiliza la diferencia de presión de vapor en ambos lados de la membrana como fuerza impulsora. Un lado de la membrana está en contacto directo con el líquido crudo. Debido a la diferencia de temperatura en ambos lados de la membrana, se forma una interfaz gas-líquido en la superficie de los poros de la membrana hidrófoba. El agua líquida se evapora y pasa a través de los poros de la membrana, condensándose en agua destilada en el otro lado de la membrana. Las sustancias no volátiles disueltas en agua no migrarán con el vapor de agua, logrando así la separación, concentración y purificación del líquido de alimentación.
La esencia del proceso de destilación por membrana es el proceso de transferencia de calor y transferencia de masa, y en la destilación por membrana, la transferencia de calor y la transferencia de masa ocurren simultáneamente.
El método de flujo de gas a alta velocidad a través de la cámara de fase gaseosa para eliminar el vapor saturado y luego condensarlo se llama destilación con membrana de barrido de gas, y el método de extraer el vapor de la cámara de fase gaseosa a través del vacío y condensarlo se llama vacío. destilación por membrana;
El método de hacer fluir directamente agua de refrigeración a través de la cámara de fase de vapor para absorber vapor saturado se denomina destilación por membrana de contacto directo;
El método de utilizar agua de refrigeración a través de intercambiadores de calor para condensar instantáneamente el vapor saturado en la cámara de fase de vapor se denomina destilación por membrana con espacio de aire.
CLASIFICAR
Durante el proceso de destilación por membrana, un lado de la membrana está en contacto directo con el líquido de alimentación y el otro lado se puede dividir en cuatro formas diferentes según los diferentes métodos de condensación (ver Figura 1): destilación por membrana de contacto directo (DCMD) , destilación por membrana con espacio de aire (AGMD), destilación por membrana con barrido de gas (SGMD) y destilación por membrana al vacío (VMD).
Los dos lados de la membrana DCMD están en contacto con el líquido de alimentación y el agua de refrigeración en circulación, respectivamente. La diferencia de presión de vapor formada por la diferencia de temperatura transmembrana impulsa todo el proceso de separación de la membrana, y el vapor de agua permeado se condensa en el agua de refrigeración circulante.
AGMD es similar a DCMD, pero se agrega una placa de condensación entre el lado caliente de la membrana y el agua de refrigeración en circulación, con un espacio de aire de refrigeración en el medio. Después de que el vapor de agua pasa a través de la membrana, se condensa en la placa de enfriamiento y se recoge.
SGMD utiliza directamente gas seco para purgar continuamente el lado de permeación de la membrana de destilación, y el vapor de agua permeado se extrae del dispositivo de destilación de la membrana y se condensa y recoge.
VMD utiliza una bomba de vacío para bombear el lado de permeación para formar un cierto vacío, y el vapor de agua se extrae y se enfría después de pasar a través de la membrana.
VENTAJA
(1) El proceso de destilación por membrana se lleva a cabo casi a presión normal, con equipos sencillos y fácil operación. También es posible implementar en áreas con fortaleza técnica débil;
(2) En el proceso de destilación por membrana de una solución acuosa de soluto no volátil, debido a que solo el vapor de agua puede pasar a través de los poros de la membrana, el destilado es muy puro, lo que se espera que se convierta en un medio eficaz de preparación a gran escala y de bajo costo. de agua ultrapura;
(3) Este proceso puede tratar soluciones acuosas de concentración extremadamente alta. Si el soluto es una sustancia que es fácil de cristalizar, la solución se puede concentrar hasta un estado sobresaturado y se producirá la cristalización por destilación de membrana. Es el único proceso de membrana que puede separar directamente el producto cristalino de la solución;
(4) El componente de destilación por membrana se puede diseñar fácilmente en una forma de recuperación de calor latente y tiene la flexibilidad de formar un sistema de producción a gran escala con componentes de membrana pequeños y eficientes;
(5) En este proceso, no es necesario calentar la solución hasta el punto de ebullición. Siempre que la diferencia de temperatura entre los dos lados de la membrana se mantenga adecuadamente, el proceso se puede llevar a cabo. Es posible utilizar energía barata como la energía solar, la energía geotérmica, las aguas termales, el calor residual de las fábricas y las aguas residuales industriales calientes.
SOLICITUD
1. Aguas residuales petroquímicas
El proceso petroquímico tradicional de tratamiento de aguas residuales, el proceso de "tres conjuntos antiguos", es decir, "separación-coagulación-filtración de aceite" o "separación-flotación-filtración de aceite", es difícil de cumplir con el estándar de reinyección de aguas residuales para la calidad del agua tratada. En la actualidad, se han utilizado la ósmosis inversa (RO) y el proceso de oxidación avanzada (AOP) para el tratamiento petroquímico de aguas residuales, pero la RO tiene un alto consumo de energía, altos requisitos de calidad del agua entrante y una baja tasa de recuperación del agua de salida. La tecnología AOP representada por Fenton requiere la adición de productos químicos, lo que produce una gran cantidad de lodo. En comparación con la tecnología de desalinización tradicional, la destilación por membrana puede tratar aguas residuales con un TDS de hasta 350,000 mg/L, puede funcionar a una presión más baja y tiene una mejor adaptabilidad a las aguas residuales petroquímicas.
Cierta aplicación de ingeniería muestra que la tasa de desalinización de DCMD en el tratamiento de aguas residuales petroquímicas altamente mineralizadas llega al 99% y puede eliminar eficazmente otros contaminantes como el carbono orgánico. Sin embargo, la destilación por membrana tiene un alto consumo de energía y no es tan económica como la OI. En comparación con las tecnologías de membranas impulsadas por presión (como la OI), la destilación por membrana tiene una menor tendencia a incrustarse, pero la incrustación y la humectación de la membrana conducirán a una disminución en la tasa de producción de agua y en la calidad del agua, especialmente en condiciones de alta recuperación. Para retrasar la humectación de la membrana, la membrana de destilación se puede modificar para mejorar las propiedades antiincrustantes y antihumectantes de la membrana.
2. Desulfuración de aguas residuales de centrales eléctricas alimentadas con carbón
Los métodos de tratamiento convencionales para aguas residuales de desulfuración incluyen métodos físicos, químicos y biológicos. Entre ellos, los métodos químicos se utilizan a menudo para eliminar SS y metales pesados, pero cuando la calidad y el volumen del agua fluctúan mucho, la eficiencia de eliminación de este método no es alta y el Cl y el F- no se pueden eliminar de manera efectiva. Cuando se utiliza la floculación para eliminar SS y precipitados metálicos, la velocidad de separación es lenta porque los precipitados metálicos suelen tener un tamaño submicrónico o nanométrico. Se han utilizado tecnologías de membrana como la microfiltración (MF) y la ultrafiltración (UF) para el tratamiento de aguas residuales por desulfuración, pero las aguas residuales tratadas no pueden descargarse ni reutilizarse directamente debido a su alta concentración de TDS. La destilación por membrana no requiere agua entrante de alta calidad y puede tratar eficazmente aguas residuales que contienen sales de alta concentración. Ha recibido una atención cada vez mayor en el campo del tratamiento de aguas residuales por desulfuración.
El uso de tecnología de destilación por membrana para tratar las aguas residuales de desulfuración puede obtener agua de salida de alta calidad. Sin embargo, debido a la presencia de contaminantes de baja energía superficial en las aguas residuales, es fácil provocar que la membrana se humedezca y se contamine, lo que conducirá al deterioro de la calidad del agua efluente, acortará la vida útil de la membrana y aumentará el costo del tratamiento.
En los últimos años, en respuesta a los problemas de contaminación y humectación de las membranas, los procesos combinados han recibido especial atención. Los estudios han encontrado que acoplar la destilación por membrana con otros procesos (como FO-MD) tiene mejores efectos de tratamiento que la tecnología de destilación por membrana única y puede ralentizar eficazmente la contaminación y la humectación de la membrana y aumentar la vida útil de la membrana. Los estudios han demostrado que la combinación de coagulación magnética con cal y destilación por membrana para el tratamiento de aguas residuales de desulfuración puede obtener agua de salida de alta calidad, y la membrana no muestra humectación en operaciones a largo plazo.
3. Aguas residuales radiactivas
En la actualidad, el principal proceso de tratamiento de aguas residuales radiactivas en mi país es la floculación, precipitación-evaporación-intercambio iónico, en el que la floculación, la precipitación y el intercambio iónico producirán una gran cantidad de contaminantes secundarios y el consumo de energía de la concentración de evaporación es demasiado alto. Los estudios han demostrado que las tecnologías de membranas impulsadas por presión, como la OI, pueden separar eficazmente sustancias radiactivas, pero la eficiencia de eliminación de la OI para el boro es sólo del 40% al 80%. Aunque la tasa de eliminación de ácido bórico se puede aumentar ajustando el pH, debido al efecto tampón del ácido bórico, es necesario agregar una gran cantidad de álcali para ajustarlo para aumentar la salinidad del boro, reduciendo así la producción de agua de RO.
Para eliminar pequeños isótopos radiactivos de las aguas residuales, es necesario combinar la tecnología de membranas impulsadas por presión con la complejación química. La clave está en la regeneración del agente complejante y se requiere una filtración adicional. Cuando la destilación por membrana trata aguas residuales radiactivas, la presión osmótica y la polarización de la concentración tienen poco efecto sobre el flujo de la membrana y puede funcionar a alta salinidad.
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). Además, la solubilidad del ácido bórico cambia significativamente con la temperatura. La cristalización por destilación por membrana (VMDC) puede aprovechar al máximo esta característica para concentrar ácido bórico en aguas residuales.
El contacto entre la membrana de destilación y sustancias radiactivas puede destruir fácilmente la estabilidad de la membrana e incluso provocar que la membrana se degrade. Por tanto, la membrana de destilación debería tener suficiente resistencia a la radiación. Los estudios han demostrado que la modificación por fluoración de la membrana puede mejorar la resistencia a la radiación de la membrana.
4. Aguas residuales de coque
Las aguas residuales de coquización tienen un olor acre y contienen una gran cantidad de contaminantes tóxicos y difíciles de degradar. Las tecnologías de tratamiento tradicionales incluyen principalmente métodos de tratamiento físico y químico, como la extracción con disolventes de compuestos fenólicos y la extracción de amoníaco, así como métodos de tratamiento biológico, como el método de lodos activados. Sin embargo, las aguas residuales tratadas todavía contienen una gran cantidad de sal y compuestos biodegradables, como hidrocarburos aromáticos policíclicos y compuestos heterocíclicos.
Después de los procesos de pretratamiento, como la eliminación de aceite y la destilación de amoníaco, las aguas residuales de coquización aún pueden mantener una temperatura de aproximadamente 50 grados, lo que proporciona condiciones favorables para que la destilación por membrana utilice el calor residual industrial para tratar las aguas residuales de coquización. En los últimos años, la aplicación de la tecnología de destilación por membrana al tratamiento de aguas residuales de coquización se ha convertido gradualmente en un punto de investigación. Los resultados de la investigación muestran que la destilación por membrana tiene una alta eficiencia de eliminación de sustancias no volátiles, y la tasa de eliminación de contaminantes en las aguas residuales es en su mayoría superior al 98%.
Sin embargo, los contaminantes hidrófobos en las aguas residuales, como los hidrocarburos aromáticos y los compuestos heterocíclicos, muestran una fuerte afinidad por las membranas hidrófobas, lo que puede provocar fácilmente que las membranas se humedezcan y se ensucien. Las propiedades antiincrustantes y antihumectantes de la membrana se pueden mejorar tratando previamente las aguas residuales o modificando la membrana.
5. Aguas residuales farmacéuticas
En la tecnología de membranas, la OI tiene un buen efecto de tratamiento de las aguas residuales farmacéuticas, pero el consumo de energía es alto y la OI tiene un efecto de tratamiento deficiente en compuestos neutros de bajo peso molecular como la N-nitrosodimetilamina (NDMA). En los últimos años, la tecnología de destilación por membranas se ha ido utilizando paulatinamente para el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas. En la literatura, la destilación por membrana se utiliza para el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas, y la tasa de eliminación de fármacos como antibióticos y compuestos fenólicos en las aguas residuales puede llegar al 99%. Sin embargo, las sustancias hidrofóbicas en las aguas residuales se depositan fácilmente en la superficie de la membrana, lo que reduce el flujo de la misma. El tratamiento previo de las aguas residuales, como la floculación y la precipitación, combinado con la destilación por membrana, puede aliviar eficazmente la incrustación de la membrana y mejorar la tasa de eliminación de fármacos en las aguas residuales farmacéuticas. Además, la combinación de otros procesos con la destilación por membrana (como el proceso de acoplamiento MBR-MD) puede eliminar eficazmente las trazas de fármacos en las aguas residuales.
PROSPECTO
La tecnología de destilación por membranas se ha desarrollado rápidamente en los últimos años y ha comenzado a usarse para tratar aguas residuales industriales típicas, como aguas residuales petroquímicas, aguas residuales de desulfuración y aguas residuales de coquización, pero enfrenta muchos problemas, como baja tasa de utilización de calor, alto costo de la membrana, contaminación de la membrana y mojada.
Se necesita más investigación desde los siguientes aspectos:
① Reducir el consumo de energía del sistema de destilación por membrana, mejorar la eficiencia de utilización del calor y seguir investigando sobre energía solar, geotermia y otras tecnologías de acoplamiento con la destilación por membrana;
② Desarrollar nuevos materiales de membrana, diseñar componentes de membrana diversificados y mejorar el flujo de la membrana;
③ Para el mecanismo de formación y las medidas preventivas de la incrustación de la membrana, se puede discutir en profundidad la influencia de las características de incrustación, las características de la membrana, el entorno operativo y las características del material en el mecanismo de formación de incrustaciones;
④ Actualmente hay poca investigación sobre la evaluación del ciclo de vida de la destilación por membrana.
Por lo tanto, realizar una evaluación del ciclo de vida del sistema de destilación por membrana es también una de las futuras direcciones de investigación.