Возможности технологии обратного осмоса

1. Возможности технологии обратного осмоса Пантелеев А.А. Зав.кафедры ТВТ МЭИ (ТУ), д.ф-м.н.

2. Основные процессы корректировки солевого состава воды Дистилляция Обратный осмос 50 50 000 Электродиализ 300 10000 Ионный обмен Солесодержание исходной воды, мг/л 0 600 100 000

3. Обратный осмос (RO) – удаление растворенных солей, молекул неорганической и органической природы (с молекулярным весом 100 – 200 у.е.); рабочее давление до 83 атм.; селективность мембранного элемента до 99,8 % (но не установки!!!) Обратный осмос (RO) – удаление растворенных солей, молекул неорганической и органической природы (с молекулярным весом от 100 у.е.); рабочее давление до 83 атм.; селективность мембранного элемента до 99,8 % (но не установки!!!)

4. Основные представления об обратноосмотических явлениях Схема процесса осмосаа Химия и нефтехимия Энергетика Микроэлектроника P(1) = Pp1 + π1 P(2) = Pp2 + π2 π – давление растворенных ионов Растворитель (вода) перемещается в область низкого давления 4

5. Основные представления об обратноосмотических явлениях Обратный осмос – процесс вынужденный Движущая сила – внешнее давление π = Σπi осмотическое давление πi = fiCiRT, Ci– концентрация иона типа i fi – активность, C = ΣCi– общая концентрация Для водного раствора С = 1 г/л -> π ≈ 0,8 атм С = 35 г/л -> π ≈27атм Рвн Pp1 + π1 +pвн Pp1 + π2 5

6. Основные представления об обратноосмотических явлениях Почему не разрывается стакан с морской водой, где π> 25 атм ? + А – ион с прочно связанными молекулами Н2О В – участок разрушенной структуры С – структурно нормальная вода А В С Химическая структура современной композиционной мембраны Амины Карбоксилаты

7. Конструкция современной тонкопленочной композитной мембраны на основе полиамида (на примере Filmtec FT30) Полиамид ультратонкий слой 0.2 мкм 40 мкм Полиэстер (полиэфир - основа из нетканого материала) 120 мкм

8. Вид поверхности и срез мембраны под микроскопом Полиамид Полисульфон Полиэстер

9. Основные характеристики процесса мембранного разделения Свх Qвх Ск Qк Сф Qф Свх Qвх Сф Qф Ск Qру Ск Qк 9

10. Основные характеристики процесса мембранного разделения

11. Типичная конструкция многокаскадной УОО Каскад – это набор модулей, объединенных общим пермеатным коллектором Пермеат Концентрат

12. 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 Рабочая область в промышленных ВПУ Nэл 9 1 4 6 12 Ск/Cвх=F 25 50 75 100 ηr Опреснение морской воды

13. Процессы концентрирования в мембранных системах Поперечное концентрирование – концентрационная поляризация (КП) См С0 (х) С0 С0 Сф (0) Сф (х) Сф ст δ На входе КП нет G – коэффициент конвекции потока δ – пограничный диффузионный слой D – диффузионный поток

14. Процессы концентрирования в мембранных системах Свх Свх Сф (0) Сф (0) у у х=0 х x=l Осмотическое давление при Свх=1 г/л πвх ≈ 0,8 атмπвых≈ 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

15. 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(ηг = 25%) -> Рраб≈55-60атм Реальное концентрирование для стоков не более 100-120 г/л растворенных солей

16. Селективность мембран. Основные зависимости

17. Селективность мембран. Зависимость от молекулярного веса

18. Селективность мембран. Зависимость от молекулярного веса

19. Селективность мембран. Зависимость от молекулярного веса

20. Селективность мембран. Основные зависимости + Средние межионные расстояния в растворе 1-1 электролита

21. 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

22. Зависимость селективности от концентрации Теория: селективность при малых концентрациях не падает 2012г, Двухступенчатая УОО с двухступенчатой декарбонизацией: ρ2 ~ 5 МОм·см !!!

23. Зависимость селективности от давления Свх = const T = const ηг= const

24. Зависимость селективности оттемпературы Свх = 585мг/л, NaCl, ƞг= 15%

25. Зависимость производительности оттемпературы

26. Зависимость селективности от pH Свх = 585мг/л, NaCl, ƞг= 15%, t =25%

27. Зависимость селективности от pH Бор, Свх= 10 мг/л, ƞг= 15%, t =25%

28. 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

29. 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

30. Устойчивость работы УОО

31. 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

32. 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”

33. Две возможности мембранных технологий —производство воды производство энергии Традиционный подход — очистка Нетрадиционный — производство энергии «ГРЯЗНАЯ» ВОДА МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ «ГРЯЗНАЯ» ВОДА ЧИСТАЯ ВОДА МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ ЭНЕРГИЯ ЧИСТАЯ ВОДА ЭНЕРГИЯ

34. Что это может дать Общий запас Wобщ= Qвсех рек ∙ Eсмеш≈2ТВт ≈ Современное потребление электроэнергии во всем мире Доступные ресурсы Pдоступ≈2000ТВт∙ч/год ≈ 10% современного потребления электроэнергии во всем мире

35. Два наиболее вероятных пути решения задачи Электродиализ наоборот RED, Pattle 1953 Прямой осмос с противодавлением PRO, Loeb 1973 Wmax≈ 0.8 Вт/м2 Veerman et al. 2010 Wmax≈ 5 Вт/м2 Achilli et al. 2009

36. Ожидаемые показатели PRO Осмотическое давление морской воды πsea≈ 26 КПа Осмотическое давление пресной воды πriver≈ 0 При А ≈4∙10-12 м/(c∙Па) 50 стеков по 8 модулей по 250 м2 мембраны каждый = 1МВт

37. История развития технологии PRO

38. Внутренняя концентрационная поляризация — главная причина отличия Gordon et al. 2006 PRO flux RO flux

39. Для реализации PRO нужны мембраны нового типа CTA-мембрана, HydrationTechnology Inc. Yin Yip et al. 2010 TFC-RO мембрана Cath et al. 2006

40. Другое решение – FO композитные мембраны TFC-RO мембрана TFC-FO мембрана

41. 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)

42. Для реализации PRO нужны эффективные гидравлические решения Механические, а не электрические устройства подачи воды

43. Прототип по-норвежски – PRO-электростанция Statkraft в Tofte

44. 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.