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Sistema industriale di osmosi inversa
Introduzione al progetto
Principio del sistema di osmosi inversa
A una certa temperatura, una membrana semipermeabile separa l'acqua dolce dalla soluzione salina. L'acqua dolce si sposta verso la soluzione salina attraverso la membrana semipermeabile. Man mano che il livello del liquido sul lato salino del ventricolo destro aumenta, si genera una certa pressione che impedisce all'acqua dolce del ventricolo sinistro di spostarsi verso il lato salino, fino a raggiungere l'equilibrio. La pressione di equilibrio in questo momento è chiamata pressione osmotica della soluzione e questo fenomeno è chiamato osmosi. Se si applica una pressione esterna superiore alla pressione osmotica al lato salino del ventricolo destro, l'acqua presente nella soluzione salina del ventricolo destro si sposterà verso l'acqua dolce del ventricolo sinistro attraverso la membrana semipermeabile, consentendo così la separazione dell'acqua dolce dalla soluzione salina. Questo fenomeno è l'opposto del fenomeno di permeabilità e viene chiamato fenomeno di permeabilità inversa.
Pertanto, la base del sistema di desalinizzazione ad osmosi inversa è
(1) La permeabilità selettiva della membrana semipermeabile, cioè la capacità di far passare selettivamente l'acqua ma non il sale;
(2) La pressione esterna della camera salina è maggiore della pressione osmotica della camera salina e della camera di acqua dolce, che fornisce la forza motrice per il movimento dell'acqua dalla camera salina alla camera di acqua dolce. Le pressioni osmotiche tipiche per alcune soluzioni sono mostrate nella tabella seguente.
La membrana semipermeabile sopra descritta, utilizzata per separare l'acqua dolce dall'acqua salata, è chiamata membrana ad osmosi inversa. Le membrane ad osmosi inversa sono generalmente realizzate in materiali polimerici. Attualmente, le membrane ad osmosi inversa utilizzate nelle centrali termoelettriche sono per lo più costituite da materiali compositi di poliammide aromatica.
La tecnologia di osmosi inversa (RO) è una tecnologia di separazione e filtrazione a membrana basata sulla differenza di pressione. La dimensione dei suoi pori è dell'ordine dei nanometri (1 nanometro = 10⁻⁹ metri). A una determinata pressione, le molecole di H₂O possono attraversare la membrana RO, mentre i sali inorganici, gli ioni di metalli pesanti, la materia organica, i colloidi, i batteri, i virus e altre impurità presenti nell'acqua di partenza non possono attraversarla. In questo modo, è possibile distinguere nettamente l'acqua pura da quella concentrata.
Nelle applicazioni industriali, gli impianti di osmosi inversa utilizzano apparecchiature specializzate per facilitare il processo di osmosi inversa. I sistemi industriali di osmosi inversa sono progettati per trattare grandi volumi d'acqua e trovano impiego in diversi settori, tra cui l'agricoltura, l'industria farmaceutica e manifatturiera. Le apparecchiature utilizzate in questi sistemi sono specificamente progettate per garantire che il processo di osmosi inversa sia efficiente ed efficace nella produzione di acqua dolce a partire da fonti di acqua salata.
Il processo di osmosi inversa è una tecnologia importante per la desalinizzazione dell'acqua di mare, in grado di fornire acqua dolce ad aree in cui l'acqua scarseggia o dove le fonti idriche tradizionali sono inquinate. Con il progredire delle apparecchiature e delle tecnologie per l'osmosi inversa, questo processo rimane una soluzione fondamentale per affrontare la carenza idrica e i problemi di qualità dell'acqua in tutto il mondo.
Le principali caratteristiche della membrana ad osmosi inversa:
Direzionalità e caratteristiche di separazione della separazione a membrana
La membrana a osmosi inversa pratica è una membrana asimmetrica, composta da uno strato superficiale e uno strato di supporto, che presenta una direzionalità e una selettività ben definite. La cosiddetta direzionalità si ottiene immergendo la superficie della membrana in una soluzione salina ad alta pressione per la desalinizzazione; la pressione aumenta la permeabilità all'acqua della membrana e, di conseguenza, anche la velocità di desalinizzazione. Quando invece è lo strato di supporto della membrana a essere immerso in una soluzione salina ad alta pressione, la velocità di desalinizzazione si riduce quasi a zero con l'aumento della pressione, ma la permeabilità all'acqua aumenta notevolmente. A causa di questa direzionalità, la membrana non può essere utilizzata in modalità inversa.
Le caratteristiche di separazione dell'osmosi inversa per ioni e materia organica nell'acqua non sono le stesse, e possono essere riassunte come segue:
(1) La materia organica è più facile da separare rispetto alla materia inorganica
(2) Gli elettroliti sono più facili da separare rispetto ai non elettroliti. Gli elettroliti con cariche elevate sono più facili da separare e le loro velocità di rimozione sono generalmente nel seguente ordine: Fe3+> Ca2+> Na+ PO43-> SO42-> C | - per l'elettrolita, più grande è la molecola, più facile è rimuoverla.
(3) La velocità di rimozione degli ioni inorganici è correlata all'idratazione e al raggio degli ioni idratati nello stato di idratazione ionica. Maggiore è il raggio dello ione idratato, più facile è la sua rimozione. L'ordine della velocità di rimozione è il seguente:
Mg2+, Ca2+> Li+ > Na+ > K+; F-> C|-> Br-> NO3-
(4) Regole di separazione della materia organica polare:
Aldeide > Alcol > Ammina > Acido, ammina terziaria > Ammina secondaria > Ammina primaria, acido citrico > Acido tartarico > Acido malico > Acido lattico > Acido acetico
I recenti progressi nel trattamento dei gas di scarico rappresentano un significativo passo avanti nell'affrontare le sfide ambientali, offrendo al contempo alle imprese l'opportunità di prosperare in modo sostenibile ed ecocompatibile. Questa soluzione innovativa è destinata ad avere un impatto positivo nei settori del trattamento dei gas di scarico e della tutela ambientale, grazie alla sua promessa di elevata efficienza, bassi costi operativi e zero inquinamento secondario.
(5) Coppia di isomeri: tert- > Diverso (iso-)> Zhong (sec-)> Originale (pri-)
(6) Le prestazioni di separazione del sale di sodio della materia organica sono buone, mentre il fenolo e gli organismi della riga del fenolo mostrano una separazione negativa. Quando le soluzioni acquose di soluti organici polari o non polari, dissociati o non dissociati vengono separate da una membrana, le forze di interazione tra soluto, solvente e membrana determinano la permeabilità selettiva della membrana. Questi effetti includono la forza elettrostatica, la forza di legame del legame idrogeno, l'idrofobicità e il trasferimento di elettroni.
(7) In generale, i soluti hanno poca influenza sulle proprietà fisiche o sulle proprietà di trasferimento della membrana. Solo il fenolo o alcuni composti organici a basso peso molecolare faranno espandere l'acetato di cellulosa in soluzione acquosa. La presenza di questi componenti farà generalmente diminuire il flusso d'acqua della membrana, a volte anche di molto.
(8) L'effetto di rimozione di nitrato, perclorato, cianuro e tiocianato non è buono come quello del cloruro, e l'effetto di rimozione del sale di ammonio non è buono come quello del sale di sodio.
(9) La maggior parte dei componenti con massa molecolare relativa superiore a 150, siano essi elettroliti o non elettroliti, possono essere ben rimossi
Inoltre, l'ordine di separazione della membrana ad osmosi inversa per idrocarburi aromatici, cicloalcani, alcani e cloruro di sodio è differente.
(2) Pompa ad alta pressione
Nel funzionamento di una membrana ad osmosi inversa, l'acqua deve essere portata alla pressione specificata da una pompa ad alta pressione per completare il processo di desalinizzazione. Attualmente, le pompe ad alta pressione utilizzate nelle centrali termoelettriche sono di vario tipo: centrifughe, a pistone, a vite e altre ancora. Tra queste, la pompa centrifuga multistadio è la più diffusa. Questa tipologia di pompa può raggiungere un'efficienza superiore al 90%, con un notevole risparmio energetico. È caratterizzata da un'elevata efficienza.
(3) Ontologia dell'osmosi inversa
L'impianto di osmosi inversa è un'unità di trattamento dell'acqua combinata che unisce e collega i componenti della membrana di osmosi inversa tramite tubazioni secondo una specifica configurazione. Una singola membrana di osmosi inversa è chiamata elemento a membrana. Un certo numero di componenti a membrana di osmosi inversa sono collegati in serie secondo determinati requisiti tecnici e assemblati con un unico involucro a membrana di osmosi inversa per formare un componente a membrana.
1. Elemento di membrana
Elemento a membrana per osmosi inversa: un'unità base composta da membrana per osmosi inversa e materiale di supporto, con funzione di utilizzo industriale. Attualmente, gli elementi a membrana a spirale sono utilizzati principalmente nelle centrali termoelettriche.
Attualmente, diversi produttori di membrane realizzano una varietà di componenti a membrana per diversi settori industriali. Gli elementi a membrana utilizzati nelle centrali termoelettriche possono essere suddivisi approssimativamente in: elementi a membrana ad osmosi inversa per la desalinizzazione dell'acqua di mare ad alta pressione; elementi a membrana ad osmosi inversa per la desalinizzazione di acqua salmastra a bassa e bassissima pressione; elementi a membrana anti-incrostazione.
I requisiti di base per gli elementi a membrana sono:
A. Densità di impaccamento della pellicola più elevata possibile.
B. Non è facile polarizzare la concentrazione
C. Forte capacità anti-inquinamento
D. È comodo pulire e sostituire la membrana
E. Il prezzo è basso
2. Guscio di membrana
Il recipiente a pressione utilizzato per caricare l'elemento a membrana per osmosi inversa nel dispositivo di osmosi inversa è chiamato guscio della membrana, noto anche come "recipiente a pressione". L'unità di produzione è Haide Energy e ogni recipiente a pressione è lungo circa 7 metri.
Il rivestimento esterno del recipiente a pressione è generalmente realizzato in tessuto plastico rinforzato con fibra di vetro e resina epossidica, e la verniciatura esterna è epossidica. Esistono anche alcuni produttori di recipienti in acciaio inossidabile. Grazie all'elevata resistenza alla corrosione, la maggior parte delle centrali termoelettriche opta per questo materiale. Il materiale di cui è composto il recipiente a pressione è appunto l'FRP.
I fattori che influenzano le prestazioni di un sistema di trattamento dell'acqua ad osmosi inversa:
In determinate condizioni di sistema, il flusso d'acqua e la velocità di desalinizzazione sono le caratteristiche della membrana ad osmosi inversa, e molti fattori influenzano il flusso d'acqua e la velocità di desalinizzazione del corpo dell'osmosi inversa, tra cui principalmente pressione, temperatura, tasso di recupero, salinità dell'affluente e valore del pH.
(1) Effetto della pressione
La pressione di ingresso della membrana ad osmosi inversa influenza direttamente il flusso di membrana e la velocità di desalinizzazione. L'aumento del flusso di membrana è linearmente proporzionale alla pressione di ingresso. La velocità di desalinizzazione è linearmente proporzionale alla pressione di ingresso, ma quando la pressione raggiunge un certo valore, la curva di variazione della velocità di desalinizzazione tende ad appiattirsi e la velocità di desalinizzazione non aumenta più.
(2) Effetto della temperatura
La velocità di desalinizzazione diminuisce con l'aumento della temperatura di ingresso dell'osmosi inversa. Tuttavia, il flusso di acqua prodotta aumenta quasi linearmente. La ragione principale è che, con l'aumento della temperatura, la viscosità delle molecole d'acqua diminuisce e la capacità di diffusione aumenta, quindi il flusso d'acqua aumenta. Con l'aumento della temperatura, la velocità di passaggio del sale attraverso la membrana di osmosi inversa accelera, quindi la velocità di desalinizzazione si riduce. La temperatura dell'acqua grezza è un importante indice di riferimento per la progettazione di un sistema di osmosi inversa. Ad esempio, quando una centrale elettrica viene sottoposta a una trasformazione tecnologica per l'installazione di un sistema di osmosi inversa, la temperatura dell'acqua grezza in fase di progettazione viene calcolata a 25 °C e la pressione di ingresso calcolata è di 1,6 MPa. Tuttavia, la temperatura dell'acqua durante il funzionamento effettivo del sistema è di soli 8 °C e la pressione di ingresso deve essere aumentata a 2,0 MPa per garantire il flusso di acqua dolce previsto in fase di progettazione. Di conseguenza, aumenta il consumo energetico del sistema in funzione, si riduce la durata dell'anello di tenuta interno della membrana del dispositivo ad osmosi inversa e aumentano gli interventi di manutenzione dell'apparecchiatura.
(3) Effetto del contenuto di sale
La concentrazione di sale nell'acqua è un indice importante che influenza la pressione osmotica della membrana, e quest'ultima aumenta con l'aumentare del contenuto di sale. A parità di pressione in ingresso all'osmosi inversa, l'aumento del contenuto di sale nell'acqua in ingresso comporta un incremento della pressione osmotica. Poiché tale aumento compensa in parte la forza in ingresso, il flusso diminuisce e di conseguenza anche la velocità di desalinizzazione si riduce.
(4) L'influenza del tasso di recupero
L'aumento del tasso di recupero del sistema di osmosi inversa comporterà un maggiore contenuto di sale nell'acqua in ingresso all'elemento a membrana lungo la direzione del flusso, con conseguente aumento della pressione osmotica. Ciò compenserà l'effetto motrice della pressione dell'acqua in ingresso all'osmosi inversa, riducendo quindi il flusso di acqua prodotta. L'aumento del contenuto di sale nell'acqua in ingresso all'elemento a membrana porta ad un aumento del contenuto di sale nell'acqua dolce, riducendo così il tasso di desalinizzazione. Nella progettazione del sistema, il tasso di recupero massimo del sistema di osmosi inversa non dipende dalla limitazione della pressione osmotica, ma spesso dipende dalla composizione e dal contenuto di sale nell'acqua grezza, poiché con il miglioramento del tasso di recupero, i sali microsolubili come carbonato di calcio, solfato di calcio e silicio si depositeranno durante il processo di concentrazione.
(5) L'influenza del valore del pH
L'intervallo di pH applicabile ai diversi tipi di elementi a membrana varia notevolmente. Ad esempio, il flusso d'acqua e la velocità di desalinizzazione delle membrane in acetato tendono ad essere stabili nell'intervallo di pH compreso tra 4 e 8, e sono fortemente influenzati nell'intervallo di pH inferiore a 4 o superiore a 8. Attualmente, la stragrande maggioranza dei materiali a membrana utilizzati nel trattamento delle acque industriali sono materiali compositi, che si adattano a un ampio intervallo di valori di pH (il valore di pH può essere controllato nell'intervallo 3~10 in funzionamento continuo e il flusso della membrana e la velocità di desalinizzazione in questo intervallo sono relativamente stabili).
Metodo di pretrattamento della membrana ad osmosi inversa:
La filtrazione a membrana ad osmosi inversa si differenzia dalla filtrazione a letto filtrante. Quest'ultima prevede una filtrazione completa, in cui l'acqua grezza attraversa interamente lo strato filtrante. La filtrazione a membrana ad osmosi inversa, invece, è un metodo di filtrazione a flusso incrociato, ovvero una parte dell'acqua grezza attraversa la membrana in direzione perpendicolare ad essa. In questo modo, i sali e i vari inquinanti vengono intercettati dalla membrana e trasportati via dalla parte restante dell'acqua grezza che scorre parallelamente alla superficie della membrana. Tuttavia, gli inquinanti non vengono rimossi completamente. Con il passare del tempo, i residui di inquinanti aumenteranno il rischio di contaminazione della membrana. Maggiore è la concentrazione di inquinanti nell'acqua grezza e maggiore è il tasso di recupero, più rapida sarà la contaminazione della membrana.
1. Controllo della scala
Quando i sali insolubili presenti nell'acqua grezza si concentrano continuamente nell'elemento a membrana e superano il loro limite di solubilità, precipitano sulla superficie della membrana ad osmosi inversa, fenomeno noto come "incrostazione". Con l'aumentare del tasso di recupero del sistema ad osmosi inversa, aumenta anche il rischio di incrostazione. Attualmente, a causa della scarsità d'acqua o dell'impatto ambientale dello scarico delle acque reflue, è consuetudine aumentare i tassi di riciclo. In questo caso, è particolarmente importante adottare misure di controllo dell'incrostazione mirate. Nei sistemi ad osmosi inversa, i sali refrattari più comuni sono CaCO3, CaSO4 e SiO2, mentre altri composti che possono causare incrostazioni sono CaF2, BaSO4, SrSO4 e Ca3(PO4)2. Il metodo più comune per inibire la formazione di incrostazioni consiste nell'aggiungere un inibitore di incrostazioni. Gli inibitori di incrostazioni utilizzati nella mia officina sono Nalco PC191 e NP200 (disponibile in Europa e America).
2. Controllo della contaminazione da particelle colloidali e solide
L'incrostazione da colloidi e particelle può compromettere seriamente le prestazioni degli elementi a membrana per osmosi inversa, causando ad esempio una significativa riduzione della produzione di acqua dolce e, talvolta, anche una diminuzione del tasso di desalinizzazione. Il sintomo iniziale dell'incrostazione da colloidi e particelle è l'aumento della differenza di pressione tra l'ingresso e l'uscita dei componenti della membrana per osmosi inversa.
Il metodo più comune per valutare la presenza di colloidi e particelle nell'acqua degli elementi a membrana ad osmosi inversa consiste nel misurare il valore SDI dell'acqua, talvolta chiamato valore F (indice di inquinamento), che è uno degli indicatori importanti per monitorare il funzionamento del sistema di pretrattamento ad osmosi inversa.
L'indice di densità del limo (SDI) è la variazione della velocità di filtrazione dell'acqua per unità di tempo e indica il grado di inquinamento della qualità dell'acqua. La quantità di colloidi e particolato presenti nell'acqua influisce sul valore dell'SDI. Il valore dell'SDI può essere determinato mediante un apposito strumento.
3. Controllo della contaminazione microbica delle membrane
I microrganismi presenti nell'acqua grezza includono principalmente batteri, alghe, funghi, virus e altri organismi superiori. Nel processo di osmosi inversa, i microrganismi e i nutrienti disciolti nell'acqua si concentrano e si accumulano continuamente nell'elemento a membrana, creando l'ambiente ideale per la formazione di biofilm. La contaminazione biologica dei componenti a membrana dell'osmosi inversa compromette seriamente le prestazioni del sistema. La differenza di pressione tra l'ingresso e l'uscita dei componenti dell'osmosi inversa aumenta rapidamente, con conseguente diminuzione della resa idrica dei componenti a membrana. Talvolta, la contaminazione biologica si verifica anche sul lato di produzione dell'acqua, con conseguente contaminazione dell'acqua trattata. Ad esempio, durante la manutenzione degli impianti di osmosi inversa in alcune centrali termoelettriche, si riscontra la presenza di muschio verde sugli elementi a membrana e sulle tubature dell'acqua potabile, un tipico esempio di contaminazione microbica.
Una volta che l'elemento a membrana viene contaminato da microrganismi e forma un biofilm, la sua pulizia diventa molto difficile. Inoltre, i biofilm non completamente rimossi favoriscono una rapida ricrescita dei microrganismi. Pertanto, il controllo dei microrganismi è uno dei compiti più importanti del pretrattamento, soprattutto per i sistemi di osmosi inversa che utilizzano acqua di mare, acque superficiali e acque reflue come fonti idriche.
I principali metodi per prevenire la proliferazione di microrganismi nelle membrane sono: cloro, microfiltrazione o ultrafiltrazione, ossidazione con ozono, sterilizzazione con raggi ultravioletti e aggiunta di bisolfito di sodio. I metodi comunemente utilizzati negli impianti di trattamento delle acque delle centrali termoelettriche sono la clorazione, la sterilizzazione e la tecnologia di ultrafiltrazione prima dell'osmosi inversa.
Il cloro, in quanto agente sterilizzante, è in grado di inattivare rapidamente molti microrganismi patogeni. L'efficacia del cloro dipende dalla sua concentrazione, dal pH dell'acqua e dal tempo di contatto. Nelle applicazioni ingegneristiche, il cloro residuo nell'acqua viene generalmente mantenuto a un valore superiore a 0,5-1,0 mg e il tempo di reazione è compreso tra 20 e 30 minuti. Il dosaggio di cloro deve essere determinato mediante prove ed esperimenti, poiché anche la materia organica presente nell'acqua consuma cloro. Il cloro viene utilizzato per la sterilizzazione e il valore di pH ottimale in pratica è compreso tra 4 e 6.
L'uso della clorazione negli impianti di acqua di mare è diverso da quello in acqua salmastra. Solitamente l'acqua di mare contiene circa 65 mg di bromo. Quando l'acqua di mare viene trattata chimicamente con idrogeno, reagisce prima con l'acido ipocloroso per formare acido ipobromoso, quindi il suo effetto battericida è dovuto all'acido ipobromoso piuttosto che all'acido ipocloroso, e l'acido ipobromoso non si decompone a valori di pH più elevati. Pertanto, l'effetto della clorazione è migliore rispetto all'acqua salmastra.
Poiché l'elemento a membrana in materiale composito ha determinati requisiti in merito al cloro residuo nell'acqua, è necessario effettuare un trattamento di declorazione e riduzione dopo la sterilizzazione con cloro.
4. Controllo dell'inquinamento organico
L'adsorbimento di materia organica sulla superficie della membrana provoca una diminuzione del flusso di membrana e, nei casi più gravi, una perdita irreversibile del flusso stesso, compromettendo la durata utile della membrana.
Per quanto riguarda le acque superficiali, la maggior parte delle quali è costituita da prodotti naturali, attraverso un processo di trattamento combinato di chiarificazione mediante coagulazione, filtrazione a coagulazione DC e filtrazione a carbone attivo, è possibile ridurre notevolmente la materia organica presente nell'acqua, soddisfacendo così i requisiti per l'acqua trattata con osmosi inversa.
5. Controllo della polarizzazione di concentrazione
Nel processo di osmosi inversa, a volte si verifica un elevato gradiente di concentrazione tra l'acqua concentrata sulla superficie della membrana e l'acqua in ingresso, fenomeno noto come polarizzazione di concentrazione. Quando questo fenomeno si verifica, sulla superficie della membrana si forma uno strato di concentrazione relativamente elevata e relativamente stabile, il cosiddetto "strato critico", che ostacola l'efficace svolgimento del processo di osmosi inversa. Questo perché la polarizzazione di concentrazione aumenta la pressione di permeabilità della soluzione sulla superficie della membrana e riduce la forza motrice del processo di osmosi inversa, con conseguente riduzione della resa idrica e del tasso di desalinizzazione. Quando la polarizzazione di concentrazione è grave, alcuni sali leggermente disciolti precipitano e formano incrostazioni sulla superficie della membrana. Per evitare la polarizzazione di concentrazione, un metodo efficace consiste nel mantenere sempre turbolento il flusso di acqua concentrata, ovvero aumentando la portata in ingresso per incrementare la portata di acqua concentrata, in modo da ridurre al minimo la concentrazione di sali microdisciolti sulla superficie della membrana. Inoltre, dopo lo spegnimento del dispositivo di trattamento dell'acqua ad osmosi inversa, l'acqua concentrata sul lato di sostituzione dell'acqua concentrata deve essere lavata tempestivamente.
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