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Sistema de ósmosis inversa industrial
Introducción del proyecto
Principio del sistema de ósmosis inversa
A cierta temperatura, se utiliza una membrana semipermeable para separar el agua dulce de la salina. El agua dulce se mueve hacia la salina a través de la membrana semipermeable. A medida que aumenta el nivel de líquido en el lado salino del ventrículo derecho, se genera cierta presión para evitar que el agua dulce del ventrículo izquierdo se mueva hacia el lado salino, y finalmente se alcanza el equilibrio. La presión de equilibrio en este momento se llama presión osmótica de la solución, y este fenómeno se llama ósmosis. Si se aplica una presión externa que excede la presión osmótica al lado salino del ventrículo derecho, el agua en la solución salina del ventrículo derecho se moverá hacia el agua dulce del ventrículo izquierdo a través de la membrana semipermeable, de modo que el agua dulce puede separarse del agua salada. Este fenómeno es el opuesto del fenómeno de permeabilidad, llamado fenómeno de permeabilidad inversa.
Por tanto, la base del sistema de desalinización por ósmosis inversa es
(1) La permeabilidad selectiva de la membrana semipermeable, es decir, deja pasar selectivamente el agua pero no la sal;
(2) La presión externa de la cámara salina es mayor que la presión osmótica de ambas cámaras, lo que impulsa el movimiento del agua desde la cámara salina a la cámara de agua dulce. La tabla a continuación muestra las presiones osmóticas típicas de algunas soluciones.
La membrana semipermeable mencionada anteriormente, utilizada para separar el agua dulce del agua salada, se denomina membrana de ósmosis inversa. Esta membrana se fabrica principalmente con materiales poliméricos. Actualmente, la membrana de ósmosis inversa utilizada en centrales térmicas se fabrica principalmente con materiales compuestos de poliamida aromática.
La tecnología de ósmosis inversa (OI) es una tecnología de separación y filtración por membrana que se basa en la diferencia de presión. El tamaño de sus poros es tan pequeño como un nanómetro (1 nanómetro = 10-9 metros). Bajo cierta presión, las moléculas de H₂O pueden atravesar la membrana de OI. Las sales inorgánicas, los iones de metales pesados, la materia orgánica, los coloides, las bacterias, los virus y otras impurezas presentes en el agua de origen no pueden atravesarla. De esta manera, se puede distinguir claramente entre el agua pura que puede atravesarla y el agua concentrada que no.
En aplicaciones industriales, las plantas de ósmosis inversa utilizan equipos especializados para facilitar el proceso. Los sistemas industriales de ósmosis inversa están diseñados para tratar grandes volúmenes de agua y se utilizan en diversas industrias, como la agrícola, la farmacéutica y la manufacturera. El equipo utilizado en estos sistemas está específicamente diseñado para garantizar la eficiencia y eficacia del proceso de ósmosis inversa en la producción de agua dulce a partir de agua salada.
El proceso de ósmosis inversa es una tecnología importante para la desalinización de agua de mar, que puede proporcionar agua dulce a zonas con escasez de agua o donde las fuentes tradicionales están contaminadas. A medida que avanzan los equipos y la tecnología de ósmosis inversa, el proceso sigue siendo una solución clave para la escasez de agua y los problemas de calidad en todo el mundo.
Las principales características de la membrana de ósmosis inversa:
Características de direccionalidad y separación de la separación por membrana
La membrana de ósmosis inversa práctica es asimétrica, con una capa superficial y una capa de soporte, y presenta una dirección y selectividad evidentes. La llamada directividad consiste en sumergir la superficie de la membrana en salmuera a alta presión para la desalinización. La presión aumenta la permeabilidad de la membrana al agua, lo que a su vez aumenta la velocidad de desalinización. Cuando la capa de soporte de la membrana se sumerge en salmuera a alta presión, la velocidad de desalinización es prácticamente nula al aumentar la presión, pero la permeabilidad al agua aumenta considerablemente. Debido a esta direccionalidad, no se puede utilizar en sentido inverso.
Las características de separación de la ósmosis inversa para iones y materia orgánica en agua no son las mismas, lo que se puede resumir de la siguiente manera
(1) La materia orgánica es más fácil de separar que la materia inorgánica.
(2) Los electrolitos son más fáciles de separar que los no electrolitos. Los electrolitos con cargas altas son más fáciles de separar, y sus tasas de eliminación generalmente se presentan en el siguiente orden: Fe₃₄ > Ca₂₄ > Na+ PO₃₄ -> S₂₄ -> C | En el caso del electrolito, cuanto mayor sea la molécula, más fácil será su eliminación.
(3) La velocidad de eliminación de iones inorgánicos está relacionada con el hidrato y el radio de los iones hidratados en el estado de hidratación iónica. Cuanto mayor sea el radio del ion hidratado, más fácil será su eliminación. El orden de eliminación es el siguiente:
Mg2+, Ca2+ > Li+ > Na+ > K+; F->C|->Br->NO3-
(4) Reglas de separación de la materia orgánica polar:
Aldehído > Alcohol > Amina > Ácido, amina terciaria > Amina secundaria > Amina primaria, ácido cítrico > Ácido tartárico > Ácido málico > Ácido láctico > Ácido acético
Los recientes avances en el tratamiento de gases residuales representan un avance significativo para abordar los desafíos ambientales, a la vez que brindan oportunidades para que las empresas prosperen de forma sostenible y respetuosa con el medio ambiente. Esta innovadora solución sin duda tendrá un impacto positivo en los campos del tratamiento de gases residuales y la protección del medio ambiente, gracias a su promesa de alta eficiencia, bajos costos operativos y cero contaminación secundaria.
(5) Isómeros pares: tert- > Diferente (iso-) > Zhong (sec-) > Original (pri-)
(6) La separación de la materia orgánica por sales de sodio es buena, mientras que los organismos de fenol y de la fila fenólica presentan una separación negativa. Cuando se separan soluciones acuosas de solutos orgánicos polares o apolares, disociados o no disociados, mediante membrana, las fuerzas de interacción entre el soluto, el disolvente y la membrana determinan la permeabilidad selectiva de la membrana. Estos efectos incluyen la fuerza electrostática, la fuerza de enlace de hidrógeno, la hidrofobicidad y la transferencia de electrones.
(7) Generalmente, los solutos tienen poca influencia en las propiedades físicas o de transferencia de la membrana. Solo el fenol o algunos compuestos orgánicos de bajo peso molecular hacen que el acetato de celulosa se expanda en solución acuosa. La presencia de estos componentes generalmente reduce, a veces considerablemente, el flujo de agua de la membrana.
(8) El efecto de eliminación de nitrato, perclorato, cianuro y tiocianato no es tan bueno como el de cloruro, y el efecto de eliminación de la sal de amonio no es tan bueno como el de la sal de sodio.
(9) La mayoría de los componentes con una masa molecular relativa mayor a 150, ya sean electrolitos o no electrolitos, pueden eliminarse fácilmente.
Además, el orden de separación de la membrana de ósmosis inversa para hidrocarburos aromáticos, cicloalcanos, alcanos y cloruro de sodio es diferente.
(2) Bomba de alta presión
Durante el funcionamiento de la membrana de ósmosis inversa, el agua debe bombearse a la presión especificada mediante una bomba de alta presión para completar el proceso de desalinización. Actualmente, las bombas de alta presión utilizadas en centrales térmicas son centrífugas, de émbolo, de tornillo y otras, siendo la bomba centrífuga multietapa la más utilizada. Esta bomba puede alcanzar más del 90% de ahorro energético. Este tipo de bomba se caracteriza por su alta eficiencia.
(3) Ontología de ósmosis inversa
El cuerpo de ósmosis inversa es una unidad combinada de tratamiento de agua que integra y conecta los componentes de la membrana de ósmosis inversa con tuberías en una disposición específica. Una sola membrana de ósmosis inversa se denomina elemento de membrana. Un número determinado de componentes de la membrana de ósmosis inversa se conecta en serie, según ciertos requisitos técnicos, y se ensambla con una sola carcasa de membrana para formar un componente de membrana.
1. Elemento de membrana
Elemento de membrana de ósmosis inversa. Unidad básica compuesta por una membrana de ósmosis inversa y material de soporte, con función industrial. Actualmente, los elementos de membrana de serpentín se utilizan principalmente en centrales térmicas.
Actualmente, diversos fabricantes de membranas producen diversos componentes para diferentes industrias. Los elementos de membrana utilizados en centrales térmicas se pueden clasificar en: membranas de ósmosis inversa para desalinización de agua de mar a alta presión; membranas inversas para desalinización de agua salobre a baja y ultrabaja presión; y membranas antiincrustantes.
Los requisitos básicos para los elementos de membrana son:
A. La densidad de empaquetamiento de la película debe ser lo más alta posible.
B. No es fácil la polarización por concentración.
C. Fuerte capacidad anticontaminación.
D. Es conveniente limpiar y reemplazar la membrana.
E. El precio es barato
2. Carcasa de membrana
El recipiente a presión utilizado para cargar el elemento de membrana de ósmosis inversa en el cuerpo del dispositivo de ósmosis inversa se llama carcasa de membrana, también conocido como "recipiente a presión". La unidad de fabricación es Haide Energy, cada recipiente a presión mide aproximadamente 7 metros de largo.
La carcasa de la película generalmente está hecha de tela plástica reforzada con fibra de vidrio epoxi, y el revestimiento exterior es de pintura epoxi. También existen fabricantes de productos para carcasas de película de acero inoxidable. Debido a la alta resistencia a la corrosión del PRFV, la mayoría de las centrales térmicas optan por este material. El material del recipiente a presión es PRFV.
Factores que afectan el rendimiento del sistema de tratamiento de agua por ósmosis inversa:
Para condiciones específicas del sistema, el flujo de agua y la tasa de desalinización son características de la membrana de ósmosis inversa, y hay muchos factores que afectan el flujo de agua y la tasa de desalinización del cuerpo de ósmosis inversa, incluidos principalmente la presión, la temperatura, la tasa de recuperación, la salinidad del afluente y el valor de pH.
(1) Efecto de presión
La presión de entrada de la membrana de ósmosis inversa afecta directamente el flujo y la tasa de desalinización. El aumento del flujo de la membrana tiene una relación lineal con la presión de entrada. La tasa de desalinización tiene una relación lineal con la presión del afluente, pero cuando esta alcanza un valor determinado, la curva de variación de la tasa de desalinización tiende a aplanarse y deja de aumentar.
(2) Efecto de la temperatura
La tasa de desalinización disminuye con el aumento de la temperatura de entrada de la ósmosis inversa. Sin embargo, el flujo de agua aumenta casi linealmente. La razón principal es que al aumentar la temperatura, la viscosidad de las moléculas de agua disminuye y la capacidad de difusión es fuerte, por lo que el flujo de agua aumenta. Con el aumento de la temperatura, la velocidad de la sal que pasa a través de la membrana de ósmosis inversa se acelerará, por lo que la tasa de desalinización se reducirá. La temperatura del agua cruda es un índice de referencia importante para el diseño del sistema de ósmosis inversa. Por ejemplo, cuando una central eléctrica está experimentando una transformación técnica de la ingeniería de ósmosis inversa, la temperatura del agua cruda en el diseño se calcula de acuerdo con 25 ℃ y la presión de entrada calculada es de 1,6 MPa. Sin embargo, la temperatura del agua en la operación real del sistema es de solo 8 ℃, y la presión de entrada debe aumentarse a 2,0 MPa para garantizar el flujo de diseño de agua dulce. Como resultado, aumenta el consumo de energía del funcionamiento del sistema, se acorta la vida útil del anillo de sellado interno del componente de membrana del dispositivo de ósmosis inversa y aumenta la cantidad de mantenimiento del equipo.
(3) Efecto del contenido de sal
La concentración de sal en el agua es un indicador importante que afecta la presión osmótica de la membrana, y esta aumenta con el aumento del contenido de sal. Si la presión de entrada de la ósmosis inversa se mantiene constante, el contenido de sal del agua de entrada aumenta. Dado que el aumento de la presión osmótica compensa parcialmente la fuerza de entrada, el flujo disminuye y, por lo tanto, la tasa de desalinización.
(4) La influencia de la tasa de recuperación
El aumento en la tasa de recuperación del sistema de ósmosis inversa conducirá a un mayor contenido de sal del agua de entrada del elemento de membrana a lo largo de la dirección del flujo, lo que resulta en un aumento de la presión osmótica. Esto compensará el efecto impulsor de la presión del agua de entrada de la ósmosis inversa, reduciendo así el flujo de rendimiento de agua. El aumento del contenido de sal en el agua de entrada del elemento de membrana conduce al aumento del contenido de sal en el agua dulce, reduciendo así la tasa de desalinización. En el diseño del sistema, la tasa máxima de recuperación del sistema de ósmosis inversa no depende de la limitación de la presión osmótica, pero a menudo depende de la composición y el contenido de sal en el agua cruda, porque con la mejora de la tasa de recuperación, las sales microsolubles como el carbonato de calcio, el sulfato de calcio y el silicio se escalarán en el proceso de concentración.
(5) La influencia del valor del pH
El rango de pH aplicable a los diferentes tipos de elementos de membrana varía considerablemente. Por ejemplo, el flujo de agua y la tasa de desalinización de la membrana de acetato tienden a ser estables en un rango de pH de 4 a 8, y se ven considerablemente afectados en un rango de pH inferior a 4 o superior a 8. Actualmente, la gran mayoría de los materiales de membrana utilizados en el tratamiento industrial de aguas son materiales compuestos, que se adaptan a un amplio rango de pH (el pH puede controlarse en un rango de 3 a 10 en funcionamiento continuo, y el flujo de la membrana y la tasa de desalinización en este rango son relativamente estables).
Método de pretratamiento con membrana de ósmosis inversa:
La filtración por membrana de ósmosis inversa se diferencia de la filtración por lecho filtrante. Este último método filtra el agua cruda a través de toda la capa filtrante. La filtración por membrana de ósmosis inversa es un método de flujo cruzado, es decir, parte del agua cruda pasa a través de la membrana en dirección vertical. En este punto, las sales y diversos contaminantes son interceptados por la membrana y arrastrados por el agua cruda restante, que fluye paralelamente a su superficie. Sin embargo, los contaminantes no se pueden eliminar por completo. Con el tiempo, los contaminantes residuales agravan la contaminación de la membrana. Cuanto mayor sea la concentración de contaminantes en el agua cruda y la tasa de recuperación, mayor será la contaminación de la membrana.
1. Control de escala
Cuando las sales insolubles del agua cruda se concentran continuamente en la membrana y superan su límite de solubilidad, precipitan en la superficie de la membrana de ósmosis inversa, lo que se denomina "incrustación". Al determinar la fuente de agua, a medida que aumenta la tasa de recuperación del sistema de ósmosis inversa, aumenta el riesgo de incrustación. Actualmente, es habitual aumentar las tasas de reciclaje debido a la escasez de agua o al impacto ambiental del vertido de aguas residuales. En este caso, es fundamental implementar medidas rigurosas de control de incrustaciones. En los sistemas de ósmosis inversa, las sales refractarias comunes son CaCO₃, CaSO₃ y SiO₂, y otros compuestos que pueden producir incrustaciones son CaF₂, BaSO₃, SrSO₃ y Ca₃(PO₃)₂. El método habitual para inhibir las incrustaciones es añadir un inhibidor de incrustaciones. Los inhibidores de incrustaciones que utilizo en mi taller son Nalco PC191 y Europe and America NP200.
2.Control de la contaminación por partículas coloidales y sólidas
La incrustación de coloides y partículas puede afectar seriamente el rendimiento de los elementos de la membrana de ósmosis inversa, como una reducción significativa en la salida de agua dulce, a veces también reduce la tasa de desalinización, el síntoma inicial de la incrustación de coloides y partículas es el aumento de la diferencia de presión entre la entrada y la salida de los componentes de la membrana de ósmosis inversa.
La forma más común de evaluar el coloide y las partículas del agua en los elementos de la membrana de ósmosis inversa es medir el valor SDI del agua, a veces llamado valor F (índice de contaminación), que es uno de los indicadores importantes para monitorear el funcionamiento del sistema de pretratamiento de ósmosis inversa.
El SDI (índice de densidad de sedimentos) es la variación de la velocidad de filtración del agua por unidad de tiempo, lo que indica la contaminación de la calidad del agua. La cantidad de coloides y partículas en el agua afecta el tamaño del SDI. El valor del SDI se puede determinar con un instrumento SDI.
3. Control de la contaminación microbiana de la membrana
Los microorganismos presentes en el agua cruda incluyen principalmente bacterias, algas, hongos, virus y otros organismos superiores. Durante el proceso de ósmosis inversa, los microorganismos y los nutrientes disueltos en el agua se concentran y enriquecen continuamente en la membrana, lo que crea un entorno ideal para la formación de biopelículas. La contaminación biológica de los componentes de la membrana de ósmosis inversa afecta gravemente el rendimiento del sistema. La diferencia de presión entre la entrada y la salida de los componentes aumenta rápidamente, lo que reduce el rendimiento de la membrana. En ocasiones, la contaminación biológica se produce en la zona de producción de agua, lo que contamina el agua producida. Por ejemplo, durante el mantenimiento de los dispositivos de ósmosis inversa de algunas centrales térmicas, se observa musgo verde en las membranas y las tuberías de agua dulce, una contaminación microbiana típica.
Una vez que la membrana se contamina con microorganismos y produce biopelícula, su limpieza resulta muy difícil. Además, la biopelícula no eliminada por completo provocará un rápido crecimiento de microorganismos. Por lo tanto, el control de microorganismos es una de las tareas más importantes del pretratamiento, especialmente en sistemas de pretratamiento por ósmosis inversa que utilizan agua de mar, aguas superficiales y aguas residuales como fuentes de agua.
Los principales métodos para prevenir la proliferación de microorganismos de membrana son: cloro, microfiltración o ultrafiltración, oxidación con ozono, esterilización ultravioleta y adición de bisulfito de sodio. Los métodos comúnmente utilizados en los sistemas de tratamiento de agua de las centrales térmicas son la esterilización por cloración y la ultrafiltración antes de la ósmosis inversa.
Como agente esterilizante, el cloro puede inactivar rápidamente muchos microorganismos patógenos. Su eficacia depende de su concentración, el pH del agua y el tiempo de contacto. En aplicaciones de ingeniería, el cloro residual en el agua se controla generalmente entre 0,5 y 1,0 mg, y el tiempo de reacción se controla entre 20 y 30 min. La dosis de cloro debe determinarse mediante depuración, ya que la materia orgánica del agua también lo consume. El cloro se utiliza para la esterilización, y el valor de pH óptimo es de 4 a 6.
El uso de la cloración en sistemas de agua de mar difiere del de agua salobre. Normalmente, el agua de mar contiene unos 65 mg de bromo. Cuando el agua de mar se trata químicamente con hidrógeno, reacciona primero con ácido hipocloroso para formar ácido hipobromoso, de modo que su efecto bactericida es el de ácido hipohúmedo en lugar de ácido hipocloroso, y este último no se descompone a un pH más alto. Por lo tanto, el efecto de la cloración es mejor que en agua salobre.
Debido a que el elemento de membrana de material compuesto tiene ciertos requisitos sobre el cloro residual en el agua, es necesario realizar un tratamiento de reducción de decloración después de la esterilización con cloro.
4. Control de la contaminación orgánica
La adsorción de materia orgánica en la superficie de la membrana provocará la disminución del flujo de la membrana y, en casos graves, provocará una pérdida irreversible del flujo de la membrana y afectará la vida práctica de la membrana.
Para las aguas superficiales, la mayor parte del agua son productos naturales, a través del proceso de tratamiento combinado de clarificación por coagulación, filtración por coagulación DC y filtración con carbón activado, se puede reducir en gran medida la materia orgánica en el agua, para cumplir con los requisitos del agua de ósmosis inversa.
5. Control de polarización por concentración
En el proceso de ósmosis inversa, a veces se produce un alto gradiente de concentración entre el agua concentrada en la superficie de la membrana y el agua afluente, lo que se denomina polarización por concentración. Cuando ocurre este fenómeno, se forma una capa de concentración relativamente alta y estable, denominada "capa crítica", sobre la superficie de la membrana, lo que dificulta la implementación efectiva del proceso de ósmosis inversa. Esto se debe a que la polarización por concentración aumenta la presión permeable de la solución sobre la superficie de la membrana y reduce la fuerza impulsora del proceso de ósmosis inversa, lo que resulta en una disminución del rendimiento del agua y la tasa de desalinización. Cuando la polarización por concentración es grave, algunas sales ligeramente disueltas precipitan e incrustan en la superficie de la membrana. Para evitar la polarización por concentración, el método eficaz consiste en mantener el flujo de agua concentrada en estado turbulento, es decir, aumentando el caudal de entrada para aumentar el caudal de agua concentrada, de modo que la concentración de sales microdisueltas en la superficie de la membrana se reduzca al mínimo. Además, después de apagar el dispositivo de tratamiento de agua por ósmosis inversa, el agua concentrada en el lado del agua concentrada reemplazada debe lavarse a tiempo.
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