Проблемы осмоса для опреснения воды


Осмос или процесс прямого осмоса (FO) - это физическое явление, известное как чистый перенос воды через полупроницаемую мембрану, обусловленную различием в химическом потенциале через мембрану, то есть прохождение воды от нижней до более высокой концентрации растворенного вещества боковая сторона. Хотя феномен FO наблюдался 260 лет назад [1], небольшие исследования были проведены до того, как прогресс мембранных технологий, особенно обратного осмоса (RO), был сделан в 1960-х годах. За последние десять лет интерес к исследованиям в области FO быстро увеличился - Рисунок 1. Показан тренд исследовательской публикации FO, основанный на результатах поиска в Engineering Village.

Опреснение и очистка воды


Рис.1. Документы, опубликованные на FO.


Возрастающее внимание к FO в основном связано с его потенциалом для достижения высокого уровня отбраковки для широкого спектра загрязняющих веществ без необходимости применения гидравлического давления для разделения [2,3]. Таким образом, FO может выгодно сравнивать с процессами, основанными на давлении, такими как RO, в том смысле, что он может иметь более низкий спрос на электрическую энергию и, возможно, меньшее уплотнение от загрязнения, поскольку гидравлическое давление не применяется (подробнее на сайте: https://azbuka-krd.ru/catalog/sistemy-obratnogo-osmosa). Неудивительно, что у FO, как сообщается, есть потенциал для широкого спектра применений, охватывающих обработку и рекультивацию сточных вод, опреснение морской воды / солоноватой воды, ослабевание с запаздыванием для производства электроэнергии, переработку пищевых продуктов и контролируемое высвобождение лекарственного средства, а также обратную промывку RO очистка [2-5]. Основное внимание в этом обзоре уделяется обеспечению состояния физических принципов и последних разработок FO для опреснения морской воды, а также будущих проблем, с которыми она сталкивается в применении.

Развитие формованного осмоса для опреснения морской воды

1. Мембраны для прямого осмоса

Хотя явление осмоса наблюдалось Ноллетом в 1748 году [1], никакого прогресса в развитии мембран не было. В ранних исследованиях основное внимание уделялось механизму осмоса через природные материалы. Особое внимание было уделено FO только с разработкой синтетических мембранных материалов, так как в 1960-х годах была разработана первая асимметричная мембранная мембрана из ацетата ацетата Loeb-Sourirajan с высоким флюсом и высоким уровнем отбраковки соли [11].

В общем, любой плотный, непористый и избирательно проницаемый материал может использоваться в качестве мембраны для FO. Такие плоские листовые и половолоконные мембраны [5, 12-28] были опробованы для различных применений ФО за последние сорок лет.

Batchelder [13] был пионером, использующим натуральную целлюлозу в качестве мембранного материала для исследования FO в 1965 году. Франк в 1972 году [14] исследовал опреснение морской воды мембраной ROA из целлюлозы (CA). Votta et al. в 1974 году [15] и Андерсон в 1977 году [16] проверили несколько коммерчески доступных и внутренних мембран CA RO для обработки разбавленных сточных вод с помощью имитационного раствора для промывки морской воды. Кравват и Дэвис в 1975 году [17] использовали СА плоские листовые RO мембраны из Eastman и мембран из полых волокон из Dow для обессоливания морской воды FO с глюкозой в качестве раствора для вытяжки. Goosens и VanHaute в 1978 году [18] использовали мембраны CA RO, армированные минеральными наполнителями, для оценки того, можно ли предсказать предсказание мембран в условиях RO при помощи тестирования FO. Однако характеристики тестируемых мембран не были изучены. Mehta and Loeb в 1979 году [19] проверили характеристики FO плоских листов DuPont B-9 и половолоконных мембран B-10 Permasep RO из ароматического полиамидного полимера. В 1970-х годах не было никакой мембраны FO. Во всех исследованиях процесса ФО использовались только мембраны RO (либо плоский лист, либо конфигурация полых волокон), и наблюдался гораздо меньший поток, чем теоретические значения, предсказанные классической теорией диффузии растворов во всех случаях [3]. Низкий поток был связан с тем, что RO мембрана, как правило, состоит из очень тонкого активного слоя, но толстый пористого несущего слоя (несколько сот метров) микро который вызвал очень большой внутренний CP [12].

В 1990-х годах Osmotek Inc. разработала специальную мембрану FO со значительным улучшением потока воды (теперь это ООО «Hydration Technology Innovations LLC» (HTI)) [29]. С тех пор исследования в области ФО стали все более привлекательными. SEM-изображения этого типа мембраны FO показаны на рисунке 5. Эта проприетарная мембрана изготовлена ​​из триацетата целлюлозы (CTA). Толщина мембраны составляет менее 50 мкм, и очевидно, что структура мембраны CTA-FO сильно отличается от стандартной мембраны RO. Уникальная особенность мембраны СТО-FO является отсутствием толстого несущего слоя. Вместо этого встроенная полиэфирная сетка обеспечивает механическую поддержку мембраны. Этот тип мембраны CTA-FO успешно используется в коммерческих целях очистки воды для военных, аварийных и рекреационных целей [29,30]. Мембраны также широко исследованы для опреснения морской воды двуокисью аммиака в качестве осмотических агентов [31,32], которые будут подробно изложены в разделе 3.3. Кроме того, они были протестированы в самых разных областях применения различными исследовательскими группами [33-38]. Тем не менее, мембранный материал CTA-FO, как ожидается, не допустит низкий или высокий уровень рН. Martinetti et al. [39] подтвердили, что раствор Na2EDTA при рН 11,8 деградировал мембраны CTA во время очистки.

Различные исследования показали, что мембраны CTA-FO, поставляемые HTI, значительно улучшают поток воды на порядок больше, чем обычные мембраны RO, когда они используются для применения FO. При нормализации к осмотическому давлению мембраны CTA-FO обычно могут достигать осмотического давления с коррекцией потока в диапазоне 0,1-0,5 л / м2 / ч / атм по сравнению со значениями около 0,01 л / м2 / ч / атм для типичного RO мембраны [5,12,19-27,32]. Более высокие потоки воды, достигаемые мембранами CTA-FO, можно отнести к ее относительной тонкости без слоя поддержки ткани, что помогло смягчить внутренний CP. Обратный поток растворенного вещества, сообщенный для мембран CTA-FO, составлял 0,6-11 г / м2 / ч для NaCl в качестве растворенного растворенного вещества. Были отмечены различия в сообщаемом потоке воды и обратном потоке растворенного вещества, поскольку различные типы или партии мембран CTA-FO испытывались при различных условиях эксплуатации [27]. В общем, поток обратного растворенного вещества увеличивается с увеличением потока воды, как и предсказывалось уравнением (6).

В настоящее время большинство используемых мембран FO используются в плоской конфигурации листа. Поскольку на обеих сторонах мембраны FO требуются два поперечных канала, конфигурация полых волокон более подходит для процесса опреснения воды, так как можно одновременно стимулировать / принудительно протекать по обеим сторонам половолоконной мембраны [40- 43]. Кроме того, мембраны из полых волокон имеют преимущества самоподдерживания и высокой плотности упаковки по сравнению с плоской конфигурацией листа. Поэтому разработка высокоэффективных мембран из полых волокон FO является приоритетной областью для дальнейших исследований опреснения воды.

2. Рисование растворов (осмотических агентов) для FO

Как упоминалось в разделе 2, градиент осмотического давления между раствором для вытяжки и подачей обеспечивает движущую силу для процесса FO. Поэтому выбор подходящего раствора для рисования или осмотического агента имеет решающее значение для достижения высокого потока воды в воде. Кроме того, идеальное решение для рисования должно удовлетворять требованиям [2,3,10]:

(а) высокой растворимости в воде и относительно низкой молекулярной массой, с тем чтобы обеспечить высокую эффективность осмотического давления; (b) инертный, стабильный, нейтральный или почти нейтральный pH, нетоксичный; и (c) легко и недорого отделить, чтобы получить питьевую воду и рециркулировать; а также

(d) недорогой и совместимый с мембраной с низким обратным потоком растворенного вещества. В частности, последнее требование имеет решающее значение для жизнеспособности процесса в муниципальном масштабе и напрямую влияет на эксплуатационные расходы завода по производству ПЭ.

Таблица 1

Дополнительные эксплуатационные расходы на установку опреснения воды для пополнения потерянных вытяжных растворов


Другим способом оценки является рассмотрение дополнительных эксплуатационных затрат на установку опреснения воды из-за пополнения для потерянных поглотителей вытягивания для сценариев различной стоимости растворения и соотношения Js / Jw (таблица 1). В таблице представлена матрица 3x3 в соответствии с ценой (рядами) на вынос (строки) и коэффициентами Js / Jw (столбцы). Как правило, затраты на различные виды растворенных веществ варьируются от 10 долл. США за кг до 100 долл. США за кг [10], так что общедоступные химикаты, такие как NaCl, могут быть представлены ценовым диапазоном в размере 10 долл. США за кг (Row II в таблице), тогда как другие специализированные химикаты могут быть представлены ценовым диапазоном в размере 100 долл. США (строка III в таблице). Предполагается также, что в будущем будет разработана специальная экономичная низина с затратами в стоимостном соотношении $ 1 за кг (строка I в таблице).

Диапазон расходов на обессоливание для станции муниципального масштаба (размер> 60 000 м3 / сут) обычно составляет 0,5-1 долл. США за м3 воды, произведенной [48]. Исходя из того, что дополнительные эксплуатационные расходы, связанные с пополнением потерянных водозаборов, не должны превышать 10-20% от стоимости обессоливания для муниципальной промышленной станции, практический предел стоимости для пополнения дозаправки может быть установлен как 0,1 долл. / М3. Из таблицы 1 видно, что этот критерий выполнил бы только матричные записи IA, IB и II-A (выделены жирным шрифтом матричный элемент II-B, который подтверждает приведенный выше анализ того, почему в настоящее время нецелесообразно использовать NaCl в качестве нивелирующее растворение для опреснения воды в муниципальном масштабе. Таким же образом экономическая жизнеспособность для установки опреснения воды в муниципальном масштабе может быть не достигнута при использовании дорогого нитрита с очень низким Js / Jw (III-A в таблице), ни с (IC в таблице). В обсуждении здесь четко указано, что как Js / Jw, так и стоимость растворения являются решающими факторами для выбора подходящего решения для FO-приложения.

Использованные источники

[1] M. Mulder, Basic principles of membrane technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 1992.

[2] L. Liu, M. Wang, D. Wang and C. Gao, Current patents of forward osmosis membrane process, Recent Patents on Chemical Engineering, 2 (2009) 76–82.

[3] T.Y. Cath, A.E. Childress and M. Elimelech, Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments, J. Membr. Sci., 281 (2006) 70.

[4] B. Liberman, Direct Osmosis Cleaning, US Patent Application: 20070246425, 2007.

[5] J.R. McCutcheon and M. Elimelech, Influence of concentrative and dilutive internal concentration polarization on flux behaviour in forward osmosis. J. Membr. Sci., 284 (2006) 237.

[6] S. Chen, Forward Osmosis Process– Baseline study for osmotic membrane bioreactor, Master Thesis, Nanyang Technological University, Singapore, 2007.

[7]   J.J. Qin, S. Chen, M.H. Oo, K.A. Kekre, E.R. Cornelissen and C.J. Ruiken, Experimental studies and modeling on concentration polarization in forward osmosis, Water Science Technol., 61 (2010) 2897.

[8]   W.C.L. Lay, T.H. Chong, C.Y. Tang, A.G. Fane, J. Zhang and Y. Liu, Fouling propensity of Forward Osmosis: investigation of the slower flux decline phenomenon, Water Sci. Technol., 61 (2010) 4.

[9]   D. Xiao, C.Y. Tang, J. Zhang, W.C.L. Lay, R. Wang and A.G. Fane, Modeling salt accumulation in osmotic membrane bioreactors: Implications for FO membrane selection and system operation, J. Membr. Sci., 366 (2011) 314–324.

[10] A. Achilli, T.Y. Cath and A.E. Childress, Selection of inorganicbased draw solutions for forward osmosis applications, J. Membr. Sci., 364 (2010) 233.

[11] S. Loeb and S. Sourirajan, Adv. Chem. Ser., 38 (1962) 117.

[12] S.Loeb, L.Titelman, E.Korngold and J. Freiman, Effect of porous support fabric on osmosis through a Loeb-Sourirajan type asymmetric membrane, J. Membr. Sci., 129 (1997) 243.

[13] G.W. Batchelder, Process for the Demineralization of water. US Patent 3,171,799, (1965).

[14] B.S. Frank, Desalination of sea water. US Patent 3,670,897, (1972).

[15] F. Votta, S.M. Barnett and D.K. Anderson, Concentration of industrial waste by direct osmosis: completion report, Providence, RI, 1974.

[16] D.K. Anderson, Concentration of Dilute Industrial Wastes by Direct Osmosis, University of Rhode Island, Providence, 1977.

[17] R.E. Kravath and J.A. Davis, Desalination of seawater by direct osmosis, Desalination, 16 (1975) 151.

[18] I. Goosens and A. Van-Haute, The use of direct osmosis tests as complementary experiments to determine the water and salt permeabilities of reinforced cellulose acetate membranes, Desalination, 26 (1978) 299.

[19] G.D. Mehta and S. Loeb, Performance of Permasep B-9 and B-10 membranes in various osmotic regions and at high osmotic pressures, J. Membr. Sci., 4 (1979) 335.

[20] T.Y. Cath, S. Gormly, E.G. Beaudry, M.T. Flynn, V.D. Adams and A.E. Childress, Membrane contactor processes for wastewater reclamation in space. Part I. Direct osmotic concentration as pretreatment for reverse osmosis, J. Membr. Sci., 257 (2005) 85.

[21] G.T. Gray, J.R. McCutcheon and M. Elimelech, Internal concentration polarization in forward osmosis: role of membrane orientation, Desalination, 197 (2006) 1.

[22] K.Y. Wang and T.S. Chung, Polybenzimidazole (PBI) nanofiltration hollow fiber membranes applied in forward osmosis process, J. Membr. Sci., 300 (2007) 6.

[23] E.R. Cornelissen, D. Harmsen, K.F. de Korte, C.J. Ruiken, J.J. Qin, H. Oo and L.P. Wessels, Membrane fouling and process performance of forward osmosis membranes on activated sludge, J. Membr Sci., 319 (2008) 158.

[24] J.R. McCutcheon and M. Elimelech, Influence of membrane support layer hydrophobicity on water flux in osmotically driven membrane processes, J. Membr. Sci., 318 (2008) 458.

[25] J.J. Qin, M.H. Oo G. Tao, E.R. Cornelissen, C.J. Ruiken, K.F. de Korte, L.P. Wessels and K.A. Kekre, Baseline study on osmotic membrane bioreactor: Optimization of operating conditions in forward osmosis, The Open Chem. Eng. J., 3 (2009) 27.

[26] N.H. Hancock and T.Y. Cath, Solute coupled diffusion in osmotically driven processes, Environ. Sci. Technol., 43 (2009) 6769.

[27] A. Achilli, T.Y. Cath, E.A. Marchand and A.E. Childress, The forward osmosis membrane bioreactor: A low fouling alternative to MBR processes, Desalination, 239 (2009) 10.

[28] R. Wang, L. Shi, C.Y. Tang, S. Chou, C. Qiu and A.G. Fane, Characterization of novel forward osmosis hollow fiber membranes, J. Membr. Sci., 355 (2010) 158.

[29] R.J. Salter, Forward osmosis, Water Conditioning & Purification, April (2006) 36.

[30] Hydration Technologies Inc., Technology overview, 2010. Electronic Source: htiwater.com/.

[31] J.R. McCutcheon, R.L. McGinnis and M. Elimelech, A novel ammonia–carbon dioxide forward (direct) osmosis desalination process, Desalination, 174 (2005) 1.

[32] J.R. McCutcheon, R.L. McGinnis and M. Elimelech, Desalination by a novel ammonia–carbon dioxide forward osmosis process: influence of draw and feed solution concentrations on process performance, J. Membr. Sci., 278 (2006) 114.

[33] E.G. Beaudry and K.A. Lampi, Membrane technology for direct osmosis concentration of fruit juices, Food Technol., 44 (1990) 121.

[34] R.E. Wrolstad, M.R. McDaniel, R.W. Durst, N. Micheals, K.A. Lampi and E.G. Beaudry, Composition and sensory characterization of red raspberry juice concentrated by directosmosis or evaporation, J. Food Sci., 58 (1993) 633.

[35] E.G. Beaudry and J.R. Herron, Direct osmosis for concentrating wastewater, in: Proceedings of the 27th International Conference on Environmental Systems, Lake Tahoe, NV, July 14–17, 1997.

[36] R.J. York, R.S. Thiel and E.G. Beaudry, Full-scale experience of direct osmosis concentration applied to leachate management, in: Proceedings of the Seventh International Waste Management and Landfill Symposium (Sardinia ’99), S. Margherita di Pula, Cagliari, Sardinia, Italy, 1999.

[37] T.Y. Cath, V.D. Adams and A.E. Childress, Membrane contactor processes for wastewater reclamation in space. II. Combined direct osmosis, osmotic distillation, and membrane distillation for treatment of metabolic wastewater, J. Membr. Sci., 257 (2005) 111.

[38] S.E. Skilhagen, J.E. Dugstad and R.J. Aaberg, Osmotic power— power production based on the osmotic pressure difference between waters with varying salt gradients, Desalination, 220 (2008) 476.

[39] C.R. Martinetti, A.E. Childress and T.Y. Cath, High recovery of concentrated RO brines using forward osmosis and membrane distillation, J. Membr. Sci., 331 (2009) 31.

[40] J. Mallevialle, P.E. Odendaal and M.R. Wiesner, Water Treatment Membrane Processes, New York: McGraw-Hill, 1996.

[41] Y. Xu, X. Peng, C.Y. Tang, Q.S. Fu and S. Nie, Effect of draw solution concentration and operating conditions on forward osmosis and pressure retarded osmosis performance in a spiral wound module, J. Membr. Sci., 348 (2010) 298.

[42] K.Y. Wang, Q. Yang, T.S. Chung and R. Rajagopalan, Enhanced forward osmosis from chemically modified polybenzimidazole (PBI) nanofiltration hollow fiber membranes with a thin wall, Chem. Eng. Sci., 64 (2009) 1577.

[43] Q. Yang, K.Y. Wang and T.S. Chung, Dual-layer hollow fibers with enhanced flux as novel forward Osmosis membranes for water production, Environ. Sci. Technol., 43 (2009) 2800.

[44] A.P. Korikov, P.B. Kosaraju and K.K. Sirkar, Interfacially polymerized hydrophilic microporous thin film composite membranes on porous polypropylene hollow fibres and flat films, J. Membr. Sci., 279 (2006) 588.

[45] Catalyx Inc., Forward osmosis, Electronic source: catalyxinc.com/forward-osmosis.html.

[46] N.Y. Yip, A. Tiraferri, W.A. Phillip, J.D. Schiffman and M. Elimelech, High performance thin-film composite forward osmosis membrane, Environ. Sci. Technol., 44 (2010) 3812-3818.

[47] C.H. Nielsen, Biomimetic membranes for sensor and separation applications, Anal. Bioanal. Chem., 395 (2009) 697-718.

[48] I.C. Karagiannis and P.G. Soldatos, Water desalination cost literature: review and assessment, Desalination, 223 (2008) 448-456.

[49] D.N. Glew, Process for Liquid Recovery and Solution Concentration. US Patent 3,216,930 (1965).

[50] J.O. Kessler and C.D. Moody, Drinking water from sea water by forward osmosis, Desalination, 18 (1976) 297.


Recent developments and future challenges of forward osmosis for desalination: a review
Jian-Jun Qin*, Winson C.L. Lay, Kiran A. Kekre


Авторизация
Забыли свой пароль?