close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

презентацию

код для вставкиСкачать
Возможности технологии обратного
осмоса
Пантелеев А.А.
Зав. кафедры ТВТ МЭИ (ТУ), д.ф-м.н.
Основные процессы корректировки солевого
состава воды
Дистилляция
Обратный осмос
50 000
50
Электродиализ
300
Ионный обмен
0
9/19/2014
10 000
600
Солесодержание исходной воды, мг/л
100 000
Обратный осмос (RO) – удаление
растворенных солей, молекул
Обратный осмос (RO) – удаление растворенных
неорганической
и органической
природы
солей, молекул
неорганической и органической
природы (с молекулярным весом от 100 у.е.);
(с молекулярным
весом
рабочее давление
до 83100
атм.; – 200 у.е.);
селективность мембранного элемента до 99,8 %
рабочее давление
до 83 атм.;
(но не установки!!!)
селективность мембранного элемента до
99,8 % (но не установки!!!)
Основные представления об
обратноосмотических явлениях
Схема процесса осмосаа
Энергетика
Микроэлектроника
Химия и
нефтехимия
P(1) = Pp1 + π1
P(2) = Pp2 + π2
π – давление растворенных ионов
Растворитель (вода) перемещается в область низкого давления
4
Основные представления об
обратноосмотических явлениях
Обратный осмос – процесс
вынужденный
Движущая сила – внешнее давление
Рвн
Pp1 + π1 + pвн
Pp1 + π2
π = Σ πi осмотическое давление
πi = fiC iRT,
Ci – концентрация иона типа i
fi – активность,
C = Σ Ci – общая концентрация
Для водного раствора
С = 1 г/л -> π ≈ 0,8 атм
С = 35 г/л -> π ≈ 27 атм
5
Основные представления об
обратноосмотических явлениях
Почему не разрывается стакан с морской водой, где π > 25 атм ?
+А
В С
А – ион с прочно связанными
молекулами Н2О
В – участок разрушенной структуры
С – структурно нормальная вода
Химическая структура современной композиционной мембраны
Амины
Карбоксилаты
Конструкция современной тонкопленочной композитной
мембраны на основе полиамида (на примере Filmtec FT30)
Полиамид
ультратонкий слой
0.2 мкм
40 мкм
120 мкм
Полиэстер (полиэфир основа из нетканого материала)
Вид поверхности и срез мембраны
под микроскопом
Полиамид
Полисульфон
Полиэстер
8
Основные характеристики процесса
мембранного разделения
Свх
Qвх
Ск
Qк
Сф
Qф
Свх
Qвх
Ск
Qру
Сф
Qф
Ск
Qк
9
Основные характеристики процесса
мембранного разделения
Типичная конструкция многокаскадной УОО
Каскад – это набор модулей, объединенных общим пермеатным
коллектором
Пермеат
Концентрат
11
Процессы концентрирования в мембранных
системах
Продольное концентрирование
Ск - - локальное содержание солей
в концентрате
Ск = <Ск>
<...> - усреднение по всей площади
Ск = Свх * F ϕи , ϕи ≈ 0,99 ÷ 0,98
Ск = Свх * F
F
4
1
1
4
6
9
12
Nэл
Рабочая область
в промышленных
ВПУ
Ск/Cвх=F
25
50
75
100
Опреснение морской воды
ηr
Процессы концентрирования в мембранных
системах
Поперечное концентрирование – концентрационная поляризация (КП)
См
С0
С0 (х)
С0
Сф (0)
Сф (х)
δ
На входе КП нет
G – коэффициент конвекции потока
δ – пограничный диффузионный слой
D – диффузионный поток
Сф ст
Процессы концентрирования в мембранных
системах
Свх
Свх
Сф (0)
Сф (0)
у
х=0
у
х
x=l
Осмотическое давление при Свх=1 г/л
πвх ≈ 0,8 атм πвых ≈ 5,6 атм (πвых ≈ 6-6,5 реально с учетом загрязнения)
Гидравлические потери Δрг = 3-6 атм
Jв = А (Рраб – πвх - Δрг )
Рраб > πвых + Δрг ≈ 12 атм
Hвсп + 4РП
Hосн
Процессы концентрирования в мембранных
системах
Опреснение морской воды (или обработка концентрированных стоков)
Свх ≈ 40 г/л (Красное море) ->
πвх ≈ 30 атм
F = 2 (ηг = 50%) + КП
->
Рраб > 80 атм
F = 1,25
->
Рраб ≈ 55-60 атм
(ηг = 25%)
Реальное концентрирование для стоков
не более 100-120 г/л растворенных солей
Селективность мембран. Основные
зависимости
Селективность мембран. Зависимость от
молекулярного веса
Соединение
Молекулярный вес
Бор
Селективность
50-99
Этанол
46
38-70
Формальдегид
30
35
1,1,1 Трихлоэтан
133
98
1,2 Дибромэтан
173
15
1,2 Дихлорэтан
99
37
1,2,3 Трихлорбензол
181
57
2,4,6 Трихлорфенол
197
99,9
Селективность мембран. Зависимость от
молекулярного веса
Соединение
Молекулярный вес
Селективность
4-Этилфенол
122
84
Мочевина
60
70
Гуминовые кислоты
98
Молочная кислота
(pH = 2)
90
94
Молочная кислота
(pH = 5)
90
99
Хлорид кальция
111
99
Хлорид натрия
58
99
Хлорид цезия
168
97
SiO2
60
98
Селективность мембран. Зависимость от
молекулярного веса
Соединение
Молекулярный вес
Селективность
SiO2
60
98
Na(HCO3)
84
98
Бромид натрия
103
96
Фторид натрия
42
99
Серная кислота
98
84
Селективность мембран. Основные
зависимости
+
Средние межионные расстояния в растворе 1-1 электролита
Концентрация, моль/л
0,001
0,01
0,1
1,0
Межионное расстояние, А
94
44
20
9,4
Зависимость селективности от концентрации
Экспериментальные данные, рН = 6-7,5, t = 25°C, ƞг = 50%
μ2 ~ 0,5 – 2 мкСим/см –удельная электропроводность
фильтрата двухступенчатой УОО, т.е. ρ2 ~ 2 – 0,5 МОм·см
120
100
S,%
80
60
40
20
0
1
5
10
100
Cвх, мг/л
1000
10000
100000
Зависимость селективности от концентрации
Теория: селективность при малых концентрациях
не падает
120
100
S,%
80
60
40
20
0
0.1
1
10
100
1000
10000
Cвх, ммоль/л
2012г, Двухступенчатая УОО с двухступенчатой
декарбонизацией:
ρ2 ~ 5 МОм·см !!!
Зависимость селективности от давления
Свх = const
T = const
ηг= const
4
S
Cф ; Qф
3
2
Qф
Cф
1
0
8
13
18
P, атм
8
10
12
14
16
Р, атм
18
20
22
Зависимость селективности от температуры
Свх = 585мг/л, NaCl, ƞг= 15%
4.5
4
CФ, мг/л
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
5
10
15
20
25
t°, C
Зависимость производительности от
температуры
2.5
Qф
2
1.5
1
0.5
3
8
13
18
t, 0C
23
Зависимость селективности от pH
Свх = 585мг/л, NaCl, ƞг= 15%, t =25%
10
9
8
7
Сф
6
5
4
NaCl
3
2
1
0
4
5
6
7
8
рН
9
10
11
12
Зависимость селективности от pH
Бор, Свх = 10 мг/л, ƞг= 15%, t =25%
7
100
90
6
70
4
60
S, %
Сф, мг/л
80
5
3
50
40
30
2
20
1
10
0
0
5
7
9
pH
11
13
5
7
9
pHвх
11
13
Селективность мембран
Выводы
Селективность и производительность мембран ( также МЭ и УОО) существенно
зависит от:
- концентрации солей
- температуры
- рабочего давления
- рН воды
- гидравлического КПД
Также имеется зависимость от условий эксплуатации:
- времени наработки
- качества подготовленной воды
- проектно-технологических решений
Дополнительные факторы
Кроме того от физико-химических параметров растворов могут зависеть
и контрольно-измерительные приборы (КИП) , например:
- Электропроводность, рН, приборы измерения ТОС, измерение
потоков (ротаметры) и др. – существенно зависит от температуры
- Приборы измерения потоков, рН – от концентрации
ПРОБЛЕМА :
Зависимость работы, системы управления, неоднозначность
диагностики состояния УОО от широкого круга параметров
Устойчивость работы УОО
Моделирование систем обратного
осмоса
Расчетные программы поставщиков МЭ:
•
•
•
•
•
•
•
Оценка показателей качества фильтрата (начало фильтроцикла)
Оценка энергозатрат (точность около 25-30%)
Оценка гидравлических потерь
Расчет критических параметров отложения солей
Проектирование гидравлики потоков в каскадах и ступенях
Оценка потребления ингибитора и кислоты
Оценка влияния того или иного типа предподготовки на качественные
показатели работы системы
• Справочный материал по МЭ
Работа с расчетными программами - интересный и
несложный процесс
Моделирование систем обратного
осмоса
Пилотные установки – возможности и
ограничения
• Фактическое определение возможностей МЭ, подбор
оптимального типа
• Определение возможностей различных типов
предподготовки (3-6 месяцев)
• Определение параметров очистки для сложных сред, не
входящих в расчетные программы
• Частичное определение гидравлических параметров
Пилотные установки должны базироваться на модулях
длиной 40”
Две возможности мембранных технологий —
производство воды производство энергии
Традиционный подход — очистка
Нетрадиционный —
производство энергии
«ГРЯЗНАЯ»
ВОДА
МЕМБРАННЫЙ
МОДУЛЬ
ЭНЕРГИЯ
ЧИСТАЯ
ВОДА
«ГРЯЗНАЯ»
ВОДА
МЕМБРАННЫЙ
МОДУЛЬ
ЧИСТАЯ
ВОДА
ЭНЕРГИЯ
Что это может дать
Общий запас
Wобщ = Qвсех рек ∙ Eсмеш ≈ 2 ТВт ≈
Современное потребление
электроэнергии во всем мире
Доступные ресурсы
Pдоступ ≈ 2000 ТВт∙ч/год ≈
10% современного
потребления электроэнергии
во всем мире
Два наиболее вероятных пути решения задачи
Электродиализ наоборот
RED, Pattle 1953
Wmax ≈ 0.8 Вт/м2
Veerman et al. 2010
Прямой осмос с противодавлением
PRO, Loeb 1973
Wmax ≈ 5 Вт/м2
Achilli et al. 2009
Ожидаемые показатели PRO
J w A w P W mech J w P Aw P P W max W mech ( P / 2 ) A w / 4
2
Осмотическое давление
морской воды
πsea ≈ 26 КПа
Осмотическое давление
пресной воды
πriver ≈ 0
W max / J max E max / Q max / 2 1 . 3 МДж/м
При А ≈ 4∙10-12 м/(c∙Па)
W max 7 Вт/м
2
50 стеков по 8 модулей по 250 м2 мембраны каждый
= 1МВт
3
История развития технологии PRO
Внутренняя концентрационная поляризация —
главная причина отличия
J w A w P Gordon et al. 2006
PRO flux
RO flux
J w K w ln
high
low
Для реализации PRO нужны
мембраны нового типа
CTA-мембрана, HydrationTechnology Inc.
Yin Yip et al. 2010
TFC-RO мембрана
Cath et al. 2006
Другое решение –
FO композитные мембраны
TFC-RO мембрана
TFC-FO мембрана
Для реализации PRO нужны
мембранные модули нового типа
Отличие от RO — проток с обеих
сторон мембраны
Рулонный PRO модуль
(такое же решение
используется в
рулонных EDI-модулях)
Для реализации PRO нужны
эффективные гидравлические решения
Механические, а не электрические
устройства подачи воды
Прототип по-норвежски –
PROэлектростанция Statkraft в Tofte
Остающиеся проблемы
Идеальная мембрана пока не найдена:
Высокая проницаемость;
Достаточная селективность;
Низкая склонность к отложениям;
Пригодность для массового производства;
Легкость компоновки в модули;
Дешевизна.
Низкая удельная плотность полезной энергии:
Высокая эффективность работы установки;
Низкие гидравлические потери;
Отказ от предподготовки.
Документ
Категория
Презентации по химии
Просмотров
15
Размер файла
13 672 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа