Technischer Hintergrund
In den letzten Jahren waren Wasserknappheit und Wasserverschmutzung große Probleme, die die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft beeinträchtigten. Der Schlüssel zur Lösung der Wasserkrise liegt darin, mithilfe effizienter Wasseraufbereitungstechnologie Frischwasser aus Meer- und Brackwasser zu gewinnen und Industrieabwässer zu recyceln.
Als effiziente Wasseraufbereitungstechnologie zeichnet sich die Membrantrenntechnologie durch hohe Effizienz, kontinuierlichen Betrieb und gute Steuerbarkeit aus und wird häufig in den Bereichen Meerwasserentsalzung und industrielle Abwasserbehandlung eingesetzt.
Allerdings weisen Technologien wie Elektrodialyse (Elektrodialyse) und Umkehrosmose (RO) in der Membrantrenntechnologie immer noch Probleme auf, wie z. B. eine geringe thermische Ausnutzungsrate, einen hohen Energieverbrauch, einen hohen Arbeitsdruck und Sekundärverschmutzung. Daher haben neue Membrantrenntechnologien große Aufmerksamkeit erhalten.
ÜBERBLICK
Die Membrandestillationstechnologie (MD) ist eine thermische Niedertemperatur-Membrantrennungstechnologie, die zusammen mit der Entwicklung der Umkehrosmose-Membranentsalzung entwickelt wurde. Als neuartige wärmebetriebene Membrantechnologie bietet sie aufgrund ihrer milden Betriebsbedingungen, der hohen Wasserproduktionsrate, der guten Trennleistung und der Nutzung industrieller Abwärme gute Anwendungsaussichten im Bereich der industriellen Abwasserbehandlung. Gleichzeitig erfordert die Membrandestillation im Vergleich zu herkömmlichen druckbetriebenen Membrantechnologien wie Nanofiltration und Umkehrosmose keine hohe Qualität des Rohwassers. Bei der Behandlung von hochkonzentriertem und schwer abbaubarem Abwasser kann hochwertiges Ausgangswasser gewonnen werden, das zur Behandlung typischer Industrieabwässer eingesetzt wird.
PRINZIP
Die Membrandestillation kann einfach als eine Kombination aus Membrantrennung und Destillationstechnologie betrachtet werden. Es handelt sich um einen Trennprozess, der eine hydrophobe mikroporöse Membran als Trennmedium verwendet und den Dampfdruckunterschied auf beiden Seiten der Membran als treibende Kraft nutzt. Eine Seite der Membran steht in direktem Kontakt mit der Rohflüssigkeit. Durch den Temperaturunterschied auf beiden Seiten der Membran bildet sich auf der Oberfläche der hydrophoben Membranporen eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche. Das flüssige Wasser verdampft zu Dampf, strömt durch die Membranporen und kondensiert auf der anderen Seite der Membran zu destilliertem Wasser. In Wasser gelöste nichtflüchtige Substanzen wandern nicht mit Wasserdampf, wodurch eine Trennung, Konzentration und Reinigung der Speiseflüssigkeit erreicht wird.
Das Wesentliche des Membrandestillationsprozesses ist der Prozess der Wärmeübertragung und des Stoffübergangs, und bei der Membrandestillation erfolgen Wärmeübertragung und Stoffübergang gleichzeitig.
Die Methode, bei der Gas mit hoher Geschwindigkeit durch die Gasphasenkammer strömt, um den gesättigten Dampf abzuführen und dann zu kondensieren, wird als Gasspülmembrandestillation bezeichnet, und die Methode, bei der der Dampf aus der Gasphasenkammer durch Vakuum extrahiert und kondensiert wird, wird als Vakuum bezeichnet Membrandestillation;
Die Methode, Kühlwasser direkt durch die Dampfphasenkammer fließen zu lassen, um gesättigten Dampf zu absorbieren, wird Direktkontakt-Membrandestillation genannt.
Die Methode, Kühlwasser durch Wärmetauscher zu verwenden, um den gesättigten Dampf in der Dampfphasenkammer sofort zu kondensieren, wird als Luftspaltmembrandestillation bezeichnet.
KLASSIFIZIEREN
Während des Membrandestillationsprozesses steht eine Seite der Membran in direktem Kontakt mit der Speiseflüssigkeit, und die andere Seite kann entsprechend den verschiedenen Kondensationsmethoden in vier verschiedene Formen unterteilt werden (siehe Abbildung 1): Direktkontaktmembrandestillation (DCMD) , Luftspaltmembrandestillation (AGMD), Gasspülmembrandestillation (SGMD) und Vakuummembrandestillation (VMD).
Die beiden Seiten der DCMD-Membran stehen in Kontakt mit der Speiseflüssigkeit bzw. dem zirkulierenden Kühlwasser. Der Dampfdruckunterschied, der durch den Transmembran-Temperaturunterschied entsteht, treibt den gesamten Membrantrennprozess an und der durchgedrungene Wasserdampf wird im zirkulierenden Kühlwasser kondensiert.
AGMD ähnelt DCMD, jedoch ist zwischen der heißen Seite der Membran und dem zirkulierenden Kühlwasser eine Kondensationsplatte mit einem Kühlluftspalt in der Mitte eingefügt. Nachdem der Wasserdampf die Membran passiert hat, wird er auf der Kühlplatte kondensiert und gesammelt.
SGMD verwendet trockenes Gas direkt, um die Permeationsseite der Destillationsmembran kontinuierlich zu spülen, und der permeierte Wasserdampf wird aus der Membrandestillationsvorrichtung entnommen, kondensiert und gesammelt.
VMD verwendet eine Vakuumpumpe, um die Permeationsseite zu pumpen, um ein bestimmtes Vakuum zu erzeugen, und der Wasserdampf wird nach dem Durchgang durch die Membran extrahiert und abgekühlt.
VORTEIL
(1) Der Membrandestillationsprozess wird nahezu bei Normaldruck, mit einfacher Ausrüstung und einfacher Bedienung durchgeführt. Der Einsatz ist auch in Gebieten mit geringer technischer Stärke möglich;
(2) Beim Membrandestillationsprozess einer nichtflüchtigen wässrigen Lösung gelöster Stoffe ist das Destillat sehr rein, da nur Wasserdampf durch die Membranporen gelangen kann, was voraussichtlich ein wirksames Mittel für die großtechnische und kostengünstige Herstellung sein wird aus hochreinem Wasser;
(3) Mit diesem Verfahren können extrem hochkonzentrierte wässrige Lösungen behandelt werden. Handelt es sich bei dem gelösten Stoff um eine leicht zu kristallisierende Substanz, kann die Lösung bis zu einem übersättigten Zustand konzentriert werden und es kommt zur Membrandestillationskristallisation. Es ist das einzige Membranverfahren, das das kristalline Produkt direkt von der Lösung trennen kann;
(4) Die Membrandestillationskomponente kann leicht in eine Form der Latentwärmerückgewinnung umgewandelt werden und verfügt über die Flexibilität, ein groß angelegtes Produktionssystem mit effizienten kleinen Membrankomponenten zu bilden;
(5) Bei diesem Verfahren ist es nicht erforderlich, die Lösung bis zum Siedepunkt zu erhitzen. Solange der Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten der Membran angemessen aufrechterhalten wird, kann der Prozess durchgeführt werden. Es besteht die Möglichkeit, günstige Energie wie Solarenergie, Geothermie, heiße Quellen, Fabrikabwärme und warmes Industrieabwasser zu nutzen.
ANWENDUNG
1. Petrochemisches Abwasser
Mit dem traditionellen petrochemischen Abwasseraufbereitungsverfahren – dem Verfahren der „alten drei Sätze“, nämlich „Ölabscheidung-Koagulation-Filtration“ oder „Ölabscheidung-Flotation-Filtration“ – ist es schwierig, den Abwasser-Reinjektionsstandard für die Qualität des behandelten Wassers zu erfüllen. Derzeit werden Umkehrosmose (RO) und fortgeschrittene Oxidationsverfahren (AOP) für die petrochemische Abwasserbehandlung eingesetzt, doch RO hat einen hohen Energieverbrauch, hohe Anforderungen an die Qualität des Zulaufwassers und eine geringe Wasserrückgewinnungsrate am Ausgang. Die von Fenton vertretene AOP-Technologie erfordert die Zugabe von Chemikalien, wodurch eine große Menge Schlamm entsteht. Im Vergleich zur herkömmlichen Entsalzungstechnologie kann die Membrandestillation Abwasser mit einem TDS von bis zu 350,000 mg/L behandeln, kann bei einem niedrigeren Druck betrieben werden und lässt sich besser an petrochemisches Abwasser anpassen.
Eine bestimmte technische Anwendung zeigt, dass die Entsalzungsrate von DCMD bei der Behandlung hochmineralisierter petrochemischer Abwässer bis zu 99 % beträgt und andere Schadstoffe wie organischen Kohlenstoff effektiv entfernt werden können. Allerdings ist die Membrandestillation mit einem hohen Energieverbrauch verbunden und nicht so wirtschaftlich wie die Umkehrosmose. Im Vergleich zu druckbetriebenen Membrantechnologien (wie RO) weist die Membrandestillation eine geringere Tendenz zur Skalierung auf, Membranskalierung und Membranbenetzung führen jedoch zu einer Verringerung der Wasserproduktionsrate und der Wasserqualität, insbesondere unter Bedingungen hoher Rückgewinnung. Um die Membranbenetzung zu verzögern, kann die Destillationsmembran modifiziert werden, um die Antifouling- und Antibenetzungseigenschaften der Membran zu verbessern.
2. Entschwefelungsabwasser aus Kohlekraftwerken
Die herkömmlichen Behandlungsmethoden für Entschwefelungsabwasser umfassen physikalische, chemische und biologische Methoden. Unter diesen werden häufig chemische Methoden zur Entfernung von SS und Schwermetallen eingesetzt. Wenn jedoch die Wasserqualität und das Wasservolumen stark schwanken, ist die Entfernungseffizienz dieser Methode nicht hoch und Cl und F- können nicht effektiv entfernt werden. Wenn zur Entfernung von SS und Metallniederschlägen Flockung eingesetzt wird, ist die Trenngeschwindigkeit langsam, da die Metallniederschläge oft eine Größe im Submikron- oder Nanometerbereich haben. Membrantechnologien wie Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF) wurden zur Entschwefelungsabwasserbehandlung eingesetzt, das behandelte Abwasser kann jedoch aufgrund seiner hohen TDS-Konzentration nicht direkt eingeleitet oder wiederverwendet werden. Die Membrandestillation erfordert keine hohe Qualität des Zulaufwassers und kann hochkonzentriertes salzhaltiges Abwasser effektiv behandeln. Im Bereich der Entschwefelungsabwasserbehandlung hat es zunehmend Beachtung gefunden.
Durch den Einsatz der Membrandestillationstechnologie zur Behandlung von Entschwefelungsabwasser kann hochwertiges Ausgangswasser erhalten werden. Aufgrund des Vorhandenseins von Schadstoffen mit geringer Oberflächenenergie im Abwasser kann es jedoch leicht zu einer Benetzung und Kontamination der Membran kommen, was zu einer Verschlechterung der Abwasserqualität, einer Verkürzung der Lebensdauer der Membran und einer Erhöhung der Behandlungskosten führt.
Als Reaktion auf die Probleme der Membranverunreinigung und Membranbenetzung haben in den letzten Jahren kombinierte Verfahren besondere Aufmerksamkeit erhalten. Studien haben ergeben, dass die Kopplung der Membrandestillation mit anderen Verfahren (z. B. FO-MD) bessere Behandlungseffekte als die Einzelmembrandestillationstechnologie hat und die Membranverschmutzung und -benetzung wirksam verlangsamen und die Lebensdauer der Membran erhöhen kann. Studien haben gezeigt, dass durch die Kombination von Kalk-Magnetkoagulation und Membrandestillation zur Entschwefelungsabwasseraufbereitung qualitativ hochwertiges Ausgangswasser erhalten werden kann und die Membran im Langzeitbetrieb keine Membranbenetzung zeigt.
3. Radioaktives Abwasser
Derzeit ist der wichtigste Prozess zur Behandlung radioaktiver Abwässer in meinem Land der Flockungsniederschlag-Verdampfungs-Ionenaustausch, bei dem durch Flockungsniederschlag und Ionenaustausch eine große Anzahl sekundärer Schadstoffe entsteht und der Energieverbrauch der Verdampfungskonzentration zu hoch ist. Studien haben gezeigt, dass druckbetriebene Membrantechnologien wie RO radioaktive Substanzen effektiv abtrennen können, die Entfernungseffizienz von RO für Bor beträgt jedoch nur 40 % bis 80 %. Obwohl die Entfernungsrate von Borsäure durch Anpassen des pH-Werts erhöht werden kann, muss aufgrund der Pufferwirkung von Borsäure eine große Menge Alkali zur Anpassung hinzugefügt werden, um den Borsalzgehalt zu erhöhen, wodurch die Wasserausbeute von RO verringert wird.
Um kleine ionische radioaktive Isotope im Abwasser zu entfernen, ist es notwendig, druckbetriebene Membrantechnologie mit chemischer Komplexierung zu kombinieren. Der Schlüssel liegt in der Regeneration des Komplexbildners, eine zusätzliche Filtration ist erforderlich. Wenn die Membrandestillation radioaktives Abwasser behandelt, haben der osmotische Druck und die Konzentrationspolarisierung nur geringe Auswirkungen auf den Membranfluss und sie kann bei hohem Salzgehalt betrieben werden.
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). Darüber hinaus ändert sich die Löslichkeit von Borsäure deutlich mit der Temperatur. Die Membrandestillationskristallisation (VMDC) kann diese Funktion voll ausnutzen, um Borsäure im Abwasser zu konzentrieren.
Der Kontakt zwischen der Destillationsmembran und radioaktiven Substanzen kann leicht die Stabilität der Membran zerstören und sogar zum Abbau der Membran führen. Daher sollte die Destillationsmembran eine ausreichende Strahlungsbeständigkeit aufweisen. Studien haben gezeigt, dass eine Fluorierungsmodifikation der Membran die Strahlungsbeständigkeit der Membran verbessern kann.
4. Kokereiabwasser
Koksabwasser hat einen stechenden Geruch und enthält eine Vielzahl giftiger und schwer abbaubarer Schadstoffe. Zu den traditionellen Behandlungstechnologien gehören hauptsächlich physikalische und chemische Behandlungsmethoden wie die Lösungsmittelextraktion von Phenolverbindungen und das Strippen von Ammoniak sowie biologische Behandlungsmethoden wie die Belebtschlammmethode. Das gereinigte Abwasser enthält jedoch immer noch große Mengen an Salz und biologisch abbaubaren Verbindungen, wie etwa polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und heterozyklische Verbindungen.
Nach Vorbehandlungsprozessen wie Ölentfernung und Ammoniakdestillation kann das Verkokungsabwasser immer noch eine Temperatur von etwa 50 Grad aufrechterhalten, was günstige Bedingungen für die Membrandestillation bietet, um industrielle Abwärme zur Behandlung von Verkokungsabwasser zu nutzen. In den letzten Jahren hat sich die Anwendung der Membrandestillationstechnologie zur Kokereiabwasserbehandlung nach und nach zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt. Forschungsergebnisse zeigen, dass die Membrandestillation eine hohe Entfernungseffizienz für nichtflüchtige Stoffe aufweist und die Entfernungsrate von Schadstoffen im Abwasser meist über 98 % liegt.
Allerdings zeigen hydrophobe Schadstoffe im Abwasser, wie etwa aromatische Kohlenwasserstoffe und heterozyklische Verbindungen, eine starke Affinität zu hydrophoben Membranen, was leicht zu Membranbenetzung und Membranverschmutzung führen kann. Die Antifouling- und Antibenetzungseigenschaften der Membran können durch eine Vorbehandlung des Abwassers oder eine Modifizierung der Membran verbessert werden.
5. Pharmazeutisches Abwasser
In der Membrantechnologie hat RO eine gute Behandlungswirkung auf pharmazeutisches Abwasser, aber der Energieverbrauch ist hoch, und RO hat eine schlechte Behandlungswirkung auf niedermolekulare neutrale Verbindungen wie N-Nitrosodimethylamin (NDMA). In den letzten Jahren wurde die Membrandestillationstechnologie zunehmend zur Behandlung von Pharmaabwässern eingesetzt. In der Literatur wird die Membrandestillation zur pharmazeutischen Abwasserbehandlung eingesetzt, und die Entfernungsrate von Arzneimitteln wie Antibiotika und Phenolverbindungen im Abwasser kann bis zu 99 % betragen. Hydrophobe Substanzen im Abwasser setzen sich jedoch leicht auf der Membranoberfläche ab und verringern so den Membranfluss. Eine Vorbehandlung des Abwassers wie Flockung und Fällung kann in Kombination mit einer Membrandestillation die Membranablagerung wirksam verringern und die Entfernungsrate von Arzneimitteln im pharmazeutischen Abwasser verbessern. Darüber hinaus können durch die Kombination anderer Verfahren mit der Membrandestillation (z. B. das MBR-MD-Kopplungsverfahren) Spuren von Arzneimitteln im Abwasser wirksam entfernt werden.
AUSSICHT
Die Membrandestillationstechnologie hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt und wird zunehmend zur Behandlung typischer Industrieabwässer wie petrochemischem Abwasser, Entschwefelungsabwasser und Kokereiabwasser eingesetzt. Sie steht jedoch vor vielen Problemen wie geringer Wärmenutzungsrate, hohen Membrankosten, Membranverschmutzung usw Benetzung.
Weitere Forschung ist unter folgenden Gesichtspunkten erforderlich:
① Reduzierung des Energieverbrauchs von Membrandestillationssystemen, Verbesserung der Wärmenutzungseffizienz und weitere Forschung zu Solarenergie, Geothermie und anderen Kopplungstechnologien mit Membrandestillation;
② Entwickeln Sie neue Membranmaterialien, entwerfen Sie vielfältige Membrankomponenten und verbessern Sie den Membranfluss.
③ Für den Bildungsmechanismus und vorbeugende Maßnahmen der Membranablagerung kann der Einfluss von Fouling-Eigenschaften, Membraneigenschaften, Betriebsumgebung und Materialeigenschaften auf den Fouling-Bildungsmechanismus ausführlich diskutiert werden;
④ Zur Ökobilanzierung der Membrandestillation gibt es derzeit wenig Forschung.
Daher ist die Durchführung einer Ökobilanz der Membrandestillationsanlage auch eine der zukünftigen Forschungsrichtungen.