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Système d'osmose inverse industriel
Présentation du projet
Principe du système d'osmose inverse
À une certaine température, une membrane semi-perméable est utilisée pour séparer l'eau douce de la solution saline. L'eau douce se déplace vers la solution saline à travers la membrane semi-perméable. Lorsque le niveau de liquide du côté salin du ventricule droit augmente, une certaine pression est générée pour empêcher l'eau douce du ventricule gauche de se déplacer vers le côté salin, et l'équilibre est finalement atteint. La pression d'équilibre à ce moment est appelée pression osmotique de la solution, et ce phénomène est appelé osmose. Si une pression externe supérieure à la pression osmotique est appliquée au côté salin du ventricule droit, l'eau de la solution saline du ventricule droit se déplace vers l'eau douce du ventricule gauche à travers la membrane semi-perméable, permettant ainsi la séparation de l'eau douce et de l'eau salée. Ce phénomène est l'inverse du phénomène de perméabilité, appelé phénomène de perméabilité inverse.
Ainsi, la base du système de dessalement par osmose inverse est
(1) La perméabilité sélective d'une membrane semi-perméable, c'est-à-dire qu'elle laisse passer sélectivement l'eau mais ne laisse pas passer le sel ;
(2) La pression externe de la chambre saline est supérieure à la pression osmotique de la chambre saline et de la chambre d'eau douce, ce qui fournit la force motrice nécessaire au passage de l'eau de la chambre saline à la chambre d'eau douce. Les pressions osmotiques typiques de certaines solutions sont présentées dans le tableau ci-dessous.
La membrane semi-perméable ci-dessus, utilisée pour séparer l'eau douce de l'eau salée, est appelée membrane d'osmose inverse. Cette membrane est principalement composée de matériaux polymères. Actuellement, la membrane d'osmose inverse utilisée dans les centrales thermiques est principalement composée de matériaux composites à base de polyamide aromatique.
L'osmose inverse (OI) est une technologie de séparation et de filtration membranaire fonctionnant par différence de pression. La taille de ses pores est de l'ordre du nanomètre (1 nanomètre = 10-9 mètres). Sous une certaine pression, les molécules d'eau (H2O) peuvent traverser la membrane d'OI. Les sels minéraux, les ions de métaux lourds, les matières organiques, les colloïdes, les bactéries, les virus et autres impuretés présents dans l'eau de source ne peuvent pas la traverser. Il est ainsi possible de distinguer clairement l'eau pure, qui peut la traverser, de l'eau concentrée, qui ne peut pas la traverser.
Dans les applications industrielles, les installations d'osmose inverse utilisent des équipements spécialisés pour faciliter le processus. Les systèmes d'osmose inverse industriels sont conçus pour traiter de grands volumes d'eau et sont utilisés dans divers secteurs, notamment l'agriculture, l'industrie pharmaceutique et l'industrie manufacturière. L'équipement utilisé dans ces systèmes est spécialement conçu pour garantir l'efficacité du processus d'osmose inverse et la production d'eau douce à partir de sources d'eau salée.
Le procédé d'osmose inverse est une technologie importante pour le dessalement de l'eau de mer, permettant d'approvisionner en eau douce les zones où l'eau est rare ou les sources d'eau traditionnelles polluées. Avec les progrès des équipements et des technologies d'osmose inverse, ce procédé demeure une solution essentielle aux pénuries d'eau et aux problèmes de qualité de l'eau dans le monde.
Les principales caractéristiques de la membrane d’osmose inverse :
Caractéristiques de directionnalité et de séparation de la séparation membranaire
La membrane d'osmose inverse pratique est une membrane asymétrique composée d'une couche superficielle et d'une couche de support. Sa direction et sa sélectivité sont évidentes. La directivité consiste à placer la surface de la membrane dans une saumure haute pression pour le dessalage. La pression augmente la perméabilité à l'eau de la membrane, ce qui augmente également le taux de dessalage. Lorsque la couche de support de la membrane est placée dans une saumure haute pression, le taux de dessalage est quasiment nul avec l'augmentation de la pression, mais la perméabilité à l'eau est fortement augmentée. De ce fait, elle ne peut pas être utilisée en mode inverse.
Les caractéristiques de séparation de l'osmose inverse pour les ions et la matière organique dans l'eau ne sont pas les mêmes, ce qui peut être résumé comme suit
(1) La matière organique est plus facile à séparer que la matière inorganique
(2) Les électrolytes sont plus faciles à séparer que les non-électrolytes. Les électrolytes à forte charge sont plus faciles à séparer, et leurs taux d'élimination sont généralement dans l'ordre suivant : Fe₃> Ca₂> Na₂ PO₃> S₂> C | - pour l'électrolyte, plus la molécule est grosse, plus elle est facile à éliminer.
(3) La vitesse d'élimination des ions inorganiques est liée à l'hydrate et au rayon des ions hydratés dans leur état d'hydratation. Plus le rayon de l'ion hydraté est grand, plus il est facile à éliminer. L'ordre des vitesses d'élimination est le suivant :
Mg2+, Ca2+> Li+ > Na+ > K+ ; F-> C|-> Br-> NO3-
(4) Règles de séparation de la matière organique polaire :
Aldéhyde > Alcool > Amine > Acide, amine tertiaire > Amine secondaire > Amine primaire, acide citrique > Acide tartrique > Acide malique > Acide lactique > Acide acétique
Les avancées récentes en matière de traitement des gaz résiduaires représentent une avancée significative pour relever les défis environnementaux tout en offrant aux entreprises la possibilité de prospérer de manière durable et respectueuse de l'environnement. Cette solution innovante aura un impact positif sur le traitement des gaz résiduaires et la protection de l'environnement, promettant une efficacité élevée, de faibles coûts d'exploitation et l'absence de pollution secondaire.
(5) Paires d'isomères : tert- > Différent (iso-) > Zhong (sec-) > Original (pri-)
(6) La séparation des sels de sodium de la matière organique est bonne, tandis que les organismes phénoliques et à chaîne phénolique présentent une séparation négative. Lorsque des solutions aqueuses de solutés organiques polaires ou non polaires, dissociés ou non, sont séparées par membrane, les forces d'interaction entre le soluté, le solvant et la membrane déterminent la perméabilité sélective de la membrane. Ces effets comprennent la force électrostatique, la force de liaison des liaisons hydrogène, l'hydrophobicité et le transfert d'électrons.
(7) En général, les solutés ont peu d'influence sur les propriétés physiques ou de transfert de la membrane. Seuls le phénol ou certains composés organiques de faible masse moléculaire provoquent l'expansion de l'acétate de cellulose en solution aqueuse. La présence de ces composés entraîne généralement une diminution, parfois importante, du flux d'eau de la membrane.
(8) L'effet d'élimination du nitrate, du perchlorate, du cyanure et du thiocyanate n'est pas aussi bon que celui du chlorure, et l'effet d'élimination du sel d'ammonium n'est pas aussi bon que celui du sel de sodium.
(9) La plupart des composants ayant une masse moléculaire relative supérieure à 150, qu'ils soient électrolytiques ou non électrolytiques, peuvent être facilement éliminés
De plus, l'ordre de séparation des membranes d'osmose inverse pour les hydrocarbures aromatiques, les cycloalcanes, les alcanes et le chlorure de sodium est différent.
(2) Pompe haute pression
Lors du fonctionnement d'une membrane d'osmose inverse, l'eau doit être acheminée à la pression spécifiée par une pompe haute pression afin de compléter le processus de dessalage. Actuellement, les pompes haute pression utilisées dans les centrales thermiques sont centrifuges, à piston, à vis et autres types de pompes. La pompe centrifuge multicellulaire est la plus répandue. Elle permet d'atteindre un rendement énergétique supérieur à 90 % et d'économiser l'énergie. Ce type de pompe se caractérise par un rendement élevé.
(3) Ontologie d'osmose inverse
Le corps d'osmose inverse est une unité combinée de traitement de l'eau qui combine et relie les composants de la membrane d'osmose inverse à des tuyaux selon une disposition spécifique. Une membrane d'osmose inverse est appelée élément membranaire. Un certain nombre de composants sont connectés en série selon certaines exigences techniques et assemblés à une seule enveloppe pour former un composant membranaire.
1. Élément membranaire
Élément membranaire d'osmose inverse. Unité de base composée d'une membrane d'osmose inverse et d'un matériau de support, à usage industriel. Actuellement, les éléments membranaires à serpentin sont principalement utilisés dans les centrales thermiques.
Actuellement, divers fabricants de membranes produisent une variété de composants pour différents secteurs industriels. Les éléments membranaires utilisés dans les centrales thermiques se répartissent en trois grandes catégories : les membranes de dessalement d'eau de mer haute pression et d'osmose inverse ; les membranes de dessalement d'eau saumâtre basse et ultra-basse pression ; et les membranes antisalissures.
Les exigences de base pour les éléments membranaires sont :
A. Densité d'emballage du film aussi élevée que possible.
B. Pas facile de concentrer la polarisation
C. Forte capacité anti-pollution
D. Il est pratique de nettoyer et de remplacer la membrane
E. Le prix est bon marché
2.Coque membranaire
Le récipient sous pression utilisé pour charger l'élément de membrane d'osmose inverse dans le dispositif de corps d'osmose inverse est appelé coque de membrane, également connue sous le nom d'unité de fabrication « récipient sous pression » est Haide Energy, chaque récipient sous pression mesure environ 7 mètres de long.
L'enveloppe du film est généralement en tissu plastique renforcé de fibres de verre époxy, et la brosse extérieure est en peinture époxy. Certains fabricants proposent également des films en acier inoxydable. En raison de la forte résistance à la corrosion du PRF, la plupart des centrales thermiques optent pour ce type de film. Le récipient sous pression est en PRF.
Les facteurs affectant les performances du système de traitement de l'eau par osmose inverse :
Pour des conditions de système spécifiques, le flux d'eau et le taux de dessalage sont les caractéristiques de la membrane d'osmose inverse, et de nombreux facteurs affectent le flux d'eau et le taux de dessalage du corps d'osmose inverse, notamment la pression, la température, le taux de récupération, la salinité de l'influent et la valeur du pH.
(1) Effet de pression
La pression d'entrée de la membrane d'osmose inverse affecte directement le flux membranaire et le taux de dessalage. L'augmentation du flux membranaire est linéaire avec la pression d'entrée de l'osmose inverse. Le taux de dessalement est linéaire avec la pression d'entrée, mais lorsque la pression atteint une certaine valeur, la courbe de variation du taux de dessalement tend à s'aplatir et le taux de dessalement cesse d'augmenter.
(2) Effet de la température
Le taux de dessalage diminue avec l'augmentation de la température d'entrée de l'osmose inverse. Cependant, le débit d'eau augmente de manière quasi linéaire. La principale raison est que, lorsque la température augmente, la viscosité des molécules d'eau diminue et la capacité de diffusion est forte, ce qui augmente le débit d'eau. Avec l'augmentation de la température, le taux de passage du sel à travers la membrane d'osmose inverse s'accélère, réduisant ainsi le taux de dessalage. La température de l'eau brute est un indice de référence important pour la conception d'un système d'osmose inverse. Par exemple, lors de la transformation technique d'une centrale électrique en osmose inverse, la température de l'eau brute est calculée à 25 °C et la pression d'entrée est de 1,6 MPa. Cependant, en fonctionnement réel, la température de l'eau n'est que de 8 °C et la pression d'entrée doit être portée à 2,0 MPa pour garantir le débit d'eau douce prévu. En conséquence, la consommation d'énergie du fonctionnement du système augmente, la durée de vie de la bague d'étanchéité interne du composant membranaire du dispositif d'osmose inverse est raccourcie et la quantité de maintenance de l'équipement est augmentée.
(3) Effet de la teneur en sel
La concentration en sel dans l'eau est un indicateur important de la pression osmotique membranaire, laquelle augmente avec la teneur en sel. Si la pression d'entrée de l'osmose inverse reste inchangée, la teneur en sel de l'eau d'entrée augmente. L'augmentation de la pression osmotique compensant en partie la force d'entrée, le flux diminue et le taux de dessalement diminue également.
(4) L'influence du taux de récupération
L'augmentation du taux de récupération du système d'osmose inverse entraîne une augmentation de la salinité de l'eau d'entrée de la membrane dans le sens de l'écoulement, ce qui entraîne une augmentation de la pression osmotique. Ceci compense l'effet moteur de la pression d'entrée de l'eau d'osmose inverse, réduisant ainsi le débit d'eau. L'augmentation de la salinité de l'eau d'entrée de la membrane entraîne une augmentation de la salinité de l'eau douce, réduisant ainsi le taux de dessalement. Lors de la conception du système, le taux de récupération maximal du système d'osmose inverse ne dépend pas de la pression osmotique, mais plutôt de la composition et de la teneur en sel de l'eau brute. En effet, avec l'amélioration du taux de récupération, des sels microsolubles tels que le carbonate de calcium, le sulfate de calcium et le silicium s'entartrent lors du processus de concentration.
(5) L'influence de la valeur du pH
La plage de pH applicable aux différents types de membranes varie considérablement. Par exemple, le flux d'eau et le taux de dessalement des membranes en acétate tendent à être stables entre 4 et 8, et sont fortement affectés entre 4 et 8. Actuellement, la grande majorité des matériaux membranaires utilisés dans le traitement des eaux industrielles sont des matériaux composites, qui s'adaptent à une large plage de pH (le pH peut être contrôlé entre 3 et 10 en fonctionnement continu, et le flux membranaire et le taux de dessalement dans cette plage sont relativement stables).
Méthode de prétraitement par membrane d'osmose inverse :
La filtration membranaire par osmose inverse diffère de la filtration sur lit filtrant. Ce dernier assure une filtration complète, c'est-à-dire que l'eau brute traverse toute la couche filtrante. La filtration membranaire par osmose inverse est une méthode de filtration tangentielle : une partie de l'eau brute traverse la membrane verticalement. Les sels et autres polluants sont alors interceptés par la membrane et évacués par le reste de l'eau brute qui s'écoule parallèlement à sa surface, mais ces polluants ne peuvent être totalement éliminés. Avec le temps, les polluants résiduels aggravent la pollution des éléments membranaires. Plus la concentration de polluants dans l'eau brute et le taux de récupération sont élevés, plus la pollution membranaire est rapide.
1. Contrôle de l'échelle
Lorsque les sels insolubles de l'eau brute se concentrent en permanence dans la membrane et dépassent leur limite de solubilité, ils précipitent à la surface de la membrane d'osmose inverse, ce qui est appelé « entartrage ». Une fois la source d'eau déterminée, le risque d'entartrage augmente avec l'augmentation du taux de récupération du système d'osmose inverse. Actuellement, il est courant d'augmenter les taux de recyclage en raison des pénuries d'eau ou des impacts environnementaux des rejets d'eaux usées. Dans ce cas, des mesures de contrôle de l'entartrage réfléchies sont particulièrement importantes. Dans les systèmes d'osmose inverse, les sels réfractaires courants sont CaCO₃, CaSO₄ et SiO₂, et d'autres composés susceptibles d'entartrer sont CaF₂, BaS₂, SrS₂ et Ca₃(PO₂)₂. La méthode courante pour inhiber l'entartrage consiste à ajouter un inhibiteur de tartre. Les inhibiteurs de tartre utilisés dans mon atelier sont le Nalco PC191 et le NP200 européen et américain.
2. Contrôle de la contamination par les particules colloïdales et solides
L'encrassement des colloïdes et des particules peut sérieusement affecter les performances des éléments de la membrane d'osmose inverse, comme une réduction significative du débit d'eau douce, parfois également une réduction du taux de dessalement, le symptôme initial de l'encrassement des colloïdes et des particules est l'augmentation de la différence de pression entre l'entrée et la sortie des composants de la membrane d'osmose inverse.
La manière la plus courante de juger le colloïde d'eau et les particules dans les éléments de la membrane d'osmose inverse est de mesurer la valeur SDI de l'eau, parfois appelée valeur F (indice de pollution), qui est l'un des indicateurs importants pour surveiller le fonctionnement du système de prétraitement par osmose inverse.
L'indice de densité des sédiments (IDS) mesure la variation de la vitesse de filtration de l'eau par unité de temps, ce qui indique la pollution de l'eau. La quantité de colloïdes et de particules dans l'eau influence la taille de l'IDS. La valeur de l'IDS peut être déterminée à l'aide d'un instrument.
3. Contrôle de la contamination microbienne des membranes
Les micro-organismes présents dans l'eau brute comprennent principalement des bactéries, des algues, des champignons, des virus et d'autres organismes supérieurs. Lors du processus d'osmose inverse, les micro-organismes et les nutriments dissous dans l'eau sont continuellement concentrés et enrichis dans la membrane, ce qui constitue un environnement et un processus propices à la formation de biofilms. La contamination biologique des composants de la membrane d'osmose inverse affecte gravement les performances du système. La différence de pression entre l'entrée et la sortie des composants augmente rapidement, entraînant une diminution du rendement en eau des composants membranaires. Parfois, une contamination biologique se produit du côté de la production d'eau, entraînant la contamination de l'eau produite. Par exemple, lors de la maintenance des osmoseurs inverses de certaines centrales thermiques, de la mousse verte se forme sur les éléments membranaires et les conduites d'eau douce, ce qui constitue une pollution microbienne typique.
Une fois la membrane contaminée par des micro-organismes et formant un biofilm, son nettoyage est très difficile. De plus, les biofilms non complètement éliminés favorisent une nouvelle croissance rapide des micro-organismes. Par conséquent, la lutte contre les micro-organismes est l'une des tâches les plus importantes du prétraitement, notamment pour les systèmes de prétraitement par osmose inverse utilisant l'eau de mer, les eaux de surface et les eaux usées comme sources d'eau.
Les principales méthodes de prévention des micro-organismes membranaires sont : le chlore, la microfiltration ou l’ultrafiltration, l’oxydation à l’ozone, la stérilisation par ultraviolets et l’ajout de bisulfite de sodium. Les méthodes couramment utilisées dans les systèmes de traitement des eaux des centrales thermiques sont la stérilisation par chloration et l’ultrafiltration avant osmose inverse.
En tant qu'agent stérilisant, le chlore est capable d'inactiver rapidement de nombreux micro-organismes pathogènes. Son efficacité dépend de sa concentration, du pH de l'eau et du temps de contact. Dans les applications techniques, la teneur en chlore résiduel de l'eau est généralement contrôlée entre 0,5 et 1,0 mg, et le temps de réaction est de 20 à 30 minutes. Le dosage du chlore doit être déterminé par un test de validation, car la matière organique présente dans l'eau consomme également du chlore. Le chlore est utilisé pour la stérilisation, et le pH optimal est compris entre 4 et 6.
L'utilisation de la chloration dans les systèmes d'eau de mer diffère de celle en eau saumâtre. L'eau de mer contient généralement environ 65 mg de brome. Lorsque l'eau de mer est traitée chimiquement à l'hydrogène, elle réagit d'abord avec l'acide hypochloreux pour former de l'acide hypobromeux. Son effet bactéricide est donc celui de l'acide hypohumide plutôt que de l'acide hypochloreux, et l'acide hypobromeux ne se décompose pas à un pH élevé. Par conséquent, l'effet de la chloration est meilleur qu'en eau saumâtre.
Étant donné que l'élément membranaire du matériau composite a certaines exigences concernant le chlore résiduel dans l'eau, il est nécessaire d'effectuer un traitement de réduction de déchloration après la stérilisation au chlore.
4. Contrôle de la pollution organique
L'adsorption de matière organique sur la surface de la membrane entraînera une diminution du flux membranaire et, dans les cas graves, elle entraînera une perte irréversible du flux membranaire et affectera la durée de vie pratique de la membrane.
Pour les eaux de surface, la plupart de l'eau est constituée de produits naturels, grâce au processus de traitement combiné de clarification par coagulation, de filtration par coagulation DC et de filtration au charbon actif, peut réduire considérablement la matière organique dans l'eau, pour répondre aux exigences de l'eau par osmose inverse.
5. Contrôle de la polarisation de la concentration
Lors du processus d'osmose inverse, un fort gradient de concentration se produit parfois entre l'eau concentrée à la surface de la membrane et l'eau entrante, phénomène appelé polarisation de concentration. Lorsque ce phénomène se produit, une couche relativement concentrée et stable, appelée « couche critique », se forme à la surface de la membrane, ce qui entrave le bon fonctionnement du processus d'osmose inverse. En effet, la polarisation de concentration augmente la pression de perméabilité de la solution à la surface de la membrane, réduisant ainsi la force motrice du processus d'osmose inverse, entraînant une diminution du rendement en eau et du taux de dessalement. Lorsque la polarisation de concentration est importante, des sels légèrement dissous précipitent et s'entartrent à la surface de la membrane. Afin d'éviter cette polarisation, la méthode efficace consiste à maintenir un flux d'eau concentrée turbulent en permanence, c'est-à-dire en augmentant le débit d'entrée pour accroître le débit d'eau concentrée, de sorte que la concentration de sels micro-dissous à la surface de la membrane soit réduite au minimum. De plus, une fois le dispositif de traitement de l'eau par osmose inverse arrêté, l'eau concentrée du côté de l'eau concentrée remplacée doit être lavée à temps.
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