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Sistema di osmosi inversa industriale
Introduzione al progetto
Principio del sistema di osmosi inversa
A una certa temperatura, una membrana semipermeabile viene utilizzata per separare l'acqua dolce dalla soluzione salina. L'acqua dolce si sposta verso la soluzione salina attraverso la membrana semipermeabile. Quando 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, e infine si raggiunge l'equilibrio. La pressione di equilibrio in questo momento è chiamata pressione osmotica della soluzione e questo fenomeno è chiamato osmosi. Se una pressione esterna superiore alla pressione osmotica viene applicata al lato salino del ventricolo destro, l'acqua nella soluzione salina del ventricolo destro si sposterà verso l'acqua dolce del ventricolo sinistro attraverso la membrana semipermeabile, in modo che l'acqua dolce possa essere separata dall'acqua salata. Questo fenomeno è l'opposto del fenomeno della permeabilità, chiamato fenomeno della permeabilità inversa.
Pertanto, la base del sistema di desalinizzazione ad osmosi inversa è
(1) La permeabilità selettiva della membrana semipermeabile, cioè lascia 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 lo spostamento 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 da quella salata, è chiamata membrana a osmosi inversa. Le membrane a osmosi inversa sono realizzate principalmente con materiali polimerici. Attualmente, le membrane a osmosi inversa utilizzate nelle centrali termoelettriche sono realizzate principalmente con materiali compositi poliammidici aromatici.
La tecnologia di osmosi inversa (RO) è una tecnologia di separazione e filtrazione a membrana basata sulla differenza di pressione. Le dimensioni dei pori sono ridotte a nanometri (1 nanometro = 10-9 metri). Sotto una certa pressione, le molecole di H2O possono passare attraverso la membrana RO, mentre sali inorganici, ioni di metalli pesanti, materia organica, colloidi, batteri, virus e altre impurità presenti nell'acqua di sorgente non riescono a passare attraverso la membrana RO, consentendo così di distinguere nettamente l'acqua pura che riesce a passare da quella concentrata che non riesce a passare.
Nelle applicazioni industriali, gli impianti a osmosi inversa utilizzano apparecchiature specializzate per facilitare il processo di osmosi inversa. I sistemi industriali a osmosi inversa sono progettati per trattare grandi volumi d'acqua e sono utilizzati in vari settori, tra cui agricoltura, farmaceutica e manifatturiero. 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 da fonti di acqua salata.
Il processo di osmosi inversa è una tecnologia importante per la desalinizzazione dell'acqua di mare, che può fornire acqua dolce alle aree in cui l'acqua è scarsa o dove le fonti idriche tradizionali sono inquinate. Con il progresso delle apparecchiature e della tecnologia di osmosi inversa, il processo rimane una soluzione chiave alla carenza idrica e ai problemi di qualità in tutto il mondo.
Le principali caratteristiche della membrana ad osmosi inversa:
Direzionalità e caratteristiche di separazione della membrana
La membrana a osmosi inversa pratica è una membrana asimmetrica, con uno strato superficiale e uno strato di supporto, con una direzione e una selettività evidenti. La cosiddetta direttività consiste nell'immergere la superficie della membrana in salamoia ad alta pressione per la desalinizzazione; la pressione aumenta la permeabilità all'acqua della membrana, con conseguente aumento della velocità di desalinizzazione; quando lo strato di supporto della membrana viene immerso in salamoia ad alta pressione, la velocità di desalinizzazione si riduce quasi a zero con l'aumentare della pressione, ma la permeabilità all'acqua aumenta notevolmente. Grazie a questa direzionalità, non è possibile utilizzare la membrana in senso inverso.
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 la rimozione.
(3) La velocità di rimozione degli ioni inorganici è correlata all'idrato 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 progresso significativo nell'affrontare le sfide ambientali, offrendo al contempo alle aziende l'opportunità di prosperare in modo sostenibile e rispettoso dell'ambiente. Questa soluzione innovativa avrà sicuramente un impatto positivo nei settori del trattamento dei gas di scarico e della tutela ambientale, con la promessa di elevata efficienza, bassi costi operativi e zero inquinamento secondario.
(5) Isomeri di coppia: tert- > Diverso (iso-)> Zhong (sec-)> Originale (pri-)
(6) La separazione del sale di sodio della materia organica è buona, mentre gli organismi fenolici e della fila fenolica mostrano una separazione negativa. Quando soluzioni acquose di soluti organici polari o non polari, dissociati o non dissociati vengono separate dalla 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 a idrogeno, l'idrofobicità e il trasferimento di elettroni.
(7) In genere, i soluti hanno scarsa influenza sulle proprietà fisiche o 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 generalmente farà diminuire, a volte notevolmente, il flusso d'acqua della membrana.
(8) L'effetto di rimozione di nitrato, perclorato, cianuro e tiocianato non è buono quanto quello del cloruro, e l'effetto di rimozione del sale di ammonio non è buono quanto quello del sale di sodio.
(9) La maggior parte dei componenti con massa molecolare relativa maggiore di 150, siano essi elettrolitici o non elettrolitici, possono essere ben rimossi
Inoltre, l'ordine di separazione della membrana ad osmosi inversa per gli idrocarburi aromatici, i cicloalcani, gli alcani e il cloruro di sodio è diverso.
(2) Pompa ad alta pressione
Nel funzionamento della membrana a osmosi inversa, l'acqua deve essere inviata 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 tipo centrifugo, a pistone, a vite e di altro tipo, tra cui la pompa centrifuga multistadio, la più diffusa. Questa può raggiungere un rendimento superiore al 90% e consentire un risparmio energetico. Questo tipo di pompa è caratterizzato da un'elevata efficienza.
(3) Ontologia dell'osmosi inversa
Il corpo a osmosi inversa è un'unità di trattamento dell'acqua combinata che unisce e collega i componenti della membrana a osmosi inversa con tubi in una determinata disposizione. Una singola membrana a osmosi inversa è chiamata elemento a membrana. Un certo numero di componenti della membrana a osmosi inversa è collegato in serie secondo determinati requisiti tecnici e assemblato con un singolo involucro a membrana a osmosi inversa per formare un componente a membrana.
1. Elemento di membrana
Elemento a membrana per osmosi inversa. Un'unità di base composta da membrana per osmosi inversa e materiale di supporto, con funzione di utilizzo industriale. Attualmente, gli elementi a membrana a serpentina sono utilizzati principalmente nelle centrali termoelettriche.
Attualmente, diversi produttori di membrane realizzano una varietà di componenti per diversi settori industriali. Gli elementi a membrana utilizzati nelle centrali termoelettriche possono essere suddivisi in: elementi a membrana per osmosi inversa per la desalinizzazione dell'acqua di mare ad alta pressione; elementi a membrana per la desalinizzazione dell'acqua salmastra a bassa e bassissima pressione; elementi a membrana anti-fouling.
I requisiti di base per gli elementi a membrana sono:
A. Densità di imballaggio della pellicola la più alta possibile.
B. Non è facile concentrare la polarizzazione
C. Forte capacità anti-inquinamento
D. È conveniente pulire e sostituire la membrana
E. Il prezzo è economico
2. Guscio della membrana
Il recipiente a pressione utilizzato per caricare l'elemento della membrana a osmosi inversa nel dispositivo del corpo a osmosi inversa è chiamato guscio della membrana, noto anche come "recipiente a pressione". L'unità di produzione è Haide Energy; ogni recipiente a pressione è lungo circa 7 metri.
Il guscio del film è generalmente realizzato in tessuto plastico rinforzato con fibra di vetro epossidica, mentre la spazzola esterna è in vernice epossidica. Esistono anche alcuni produttori di prodotti per gusci in film in acciaio inossidabile. Grazie all'elevata resistenza alla corrosione della FRP, la maggior parte delle centrali termoelettriche sceglie gusci in film FRP. Il materiale del recipiente a pressione è la FRP.
Fattori che influenzano le prestazioni del sistema di trattamento dell'acqua ad osmosi inversa:
Per condizioni di sistema specifiche, il flusso dell'acqua e la velocità di desalinizzazione sono le caratteristiche della membrana ad osmosi inversa e sono molti i fattori che influenzano il flusso dell'acqua e la velocità di desalinizzazione del corpo ad osmosi inversa, tra cui principalmente pressione, temperatura, velocità di recupero, salinità dell'affluente e valore del pH
(1) Effetto pressione
La pressione di ingresso della membrana a osmosi inversa influenza direttamente il flusso della membrana e la velocità di desalinizzazione della membrana a osmosi inversa. L'aumento del flusso della membrana ha una relazione lineare con la pressione di ingresso dell'osmosi inversa. La velocità di desalinizzazione ha una relazione lineare con la pressione in ingresso, ma quando la pressione raggiunge un certo valore, la curva di variazione della velocità di desalinizzazione tende a essere piatta 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 in uscita aumenta in modo quasi lineare. Il motivo principale è che all'aumentare della temperatura, la viscosità delle molecole d'acqua diminuisce e la capacità di diffusione è elevata, quindi il flusso d'acqua aumenta. Con l'aumento della temperatura, la velocità di passaggio del sale attraverso la membrana dell'osmosi inversa aumenta, riducendo così la velocità di desalinizzazione. La temperatura dell'acqua grezza è un importante indice di riferimento per la progettazione di un sistema a osmosi inversa. Ad esempio, quando una centrale elettrica è sottoposta a trasformazione tecnica per l'osmosi inversa, la temperatura dell'acqua grezza in fase di progettazione è 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 la portata di progetto di acqua dolce. Di conseguenza, aumenta il consumo energetico del sistema, si riduce la durata dell'anello di tenuta interno del componente a membrana del dispositivo a osmosi inversa e aumenta la necessità 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 di membrana, che aumenta con l'aumentare del contenuto di sale. A condizione che la pressione di ingresso dell'osmosi inversa rimanga invariata, il contenuto di sale nell'acqua in ingresso aumenta. Poiché l'aumento della pressione osmotica compensa parte della forza di ingresso, il flusso diminuisce e anche la velocità di desalinizzazione diminuisce.
(4) L'influenza del tasso di recupero
L'aumento del tasso di recupero del sistema a osmosi inversa porterà a 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 trainante della pressione dell'acqua in ingresso dell'osmosi inversa, riducendo così il flusso di acqua in uscita. 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 la velocità di desalinizzazione. Nella progettazione del sistema, il tasso di recupero massimo del sistema a 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, sali microsolubili come carbonato di calcio, solfato di calcio e silicio si depositeranno nel processo di concentrazione.
(5) L'influenza del valore del pH
L'intervallo di pH applicabile ai diversi tipi di elementi di membrana varia notevolmente. Ad esempio, il flusso d'acqua e la velocità di desalinizzazione della membrana in acetato tendono a essere stabili nell'intervallo di pH 4-8 e sono notevolmente influenzati nell'intervallo di pH inferiore a 4 o superiore a 8. Attualmente, la stragrande maggioranza dei materiali delle membrane utilizzati nel trattamento delle acque industriali sono materiali compositi, che si adattano a un ampio intervallo 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 a osmosi inversa è diversa dalla filtrazione a letto filtrante: il letto filtrante è una filtrazione completa, ovvero l'acqua grezza attraversa l'intero strato filtrante. La filtrazione a membrana a osmosi inversa è un metodo di filtrazione a flusso incrociato, ovvero una parte dell'acqua grezza passa attraverso la membrana in direzione verticale. In questa fase, i sali e i vari inquinanti vengono intercettati dalla membrana e trasportati dalla parte rimanente dell'acqua grezza che scorre parallelamente alla superficie della membrana, ma gli inquinanti non possono essere rimossi completamente. Con il passare del tempo, gli inquinanti residui aumenteranno l'inquinamento della membrana. E maggiori sono gli inquinanti presenti nell'acqua grezza e il tasso di recupero, maggiore sarà l'inquinamento della membrana.
1. Controllo della scala
Quando i sali insolubili presenti nell'acqua grezza si concentrano costantemente nell'elemento della membrana e superano il loro limite di solubilità, precipitano sulla superficie della membrana a osmosi inversa, dando origine a un fenomeno chiamato "incrostazione". Una volta determinata la fonte d'acqua, all'aumentare del tasso di recupero del sistema a osmosi inversa aumenta il rischio di incrostazione. Attualmente, è consuetudine aumentare i tassi di riciclo a causa della scarsità d'acqua o dell'impatto ambientale dello scarico delle acque reflue. In questo caso, misure di controllo attente alla formazione di incrostazioni sono particolarmente importanti. Nei sistemi a 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 è l'aggiunta di inibitori di incrostazioni. Gli inibitori di incrostazioni utilizzati nel mio laboratorio sono Nalco PC191 e Europe and America NP200.
2. Controllo della contaminazione da particelle colloidali e solide
L'incrostazione di colloidi e particelle può compromettere seriamente le prestazioni degli elementi della membrana a osmosi inversa, ad esempio causando una significativa riduzione della produzione di acqua dolce e talvolta anche una riduzione della velocità di desalinizzazione. Il sintomo iniziale dell'incrostazione di colloidi e particelle è l'aumento della differenza di pressione tra l'ingresso e l'uscita dei componenti della membrana a osmosi inversa.
Il modo più comune per valutare il colloide e le particelle d'acqua negli elementi della membrana a osmosi inversa è misurare il valore SDI dell'acqua, a volte chiamato valore F (indice di inquinamento), che è uno degli indicatori importanti per monitorare il funzionamento del sistema di pretrattamento a osmosi inversa.
L'indice di densità del limo (SDI) è la variazione della velocità di filtrazione dell'acqua per unità di tempo, che indica l'inquinamento della qualità dell'acqua. La quantità di colloidi e particolato nell'acqua influenza il valore dell'SDI. Il valore dell'SDI può essere determinato tramite uno strumento SDI.
3. Controllo della contaminazione microbica della membrana
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 vengono costantemente concentrati e arricchiti nell'elemento della membrana, che diventa l'ambiente e il processo ideali per la formazione di biofilm. La contaminazione biologica dei componenti della membrana a 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 della membrana. Talvolta, la contaminazione biologica si verifica sul lato della produzione dell'acqua, con conseguente contaminazione dell'acqua prodotta. Ad esempio, durante la manutenzione dei dispositivi a osmosi inversa in alcune centrali termoelettriche, si riscontra muschio verde sugli elementi della membrana e sulle tubazioni dell'acqua dolce, un tipico inquinamento microbico.
Una volta che la membrana è contaminata da microrganismi e produce biofilm, la sua pulizia risulta molto difficile. Inoltre, i biofilm non completamente rimossi causano una rapida proliferazione di microrganismi. Pertanto, il controllo dei microrganismi è anche uno dei compiti più importanti del pretrattamento, soprattutto per i sistemi di pretrattamento a osmosi inversa che utilizzano acqua di mare, acque superficiali e acque reflue come fonti idriche.
I principali metodi per prevenire la proliferazione di microrganismi a membrana sono: cloro, microfiltrazione o ultrafiltrazione, ossidazione con ozono, sterilizzazione a raggi ultravioletti, aggiunta di bisolfito di sodio. I metodi comunemente utilizzati nei sistemi di trattamento delle acque delle centrali termoelettriche sono la sterilizzazione tramite clorazione e la tecnologia di trattamento delle acque tramite ultrafiltrazione prima dell'osmosi inversa.
Come agente sterilizzante, il cloro è in grado di inattivare rapidamente molti microrganismi patogeni. L'efficacia del cloro dipende dalla concentrazione di cloro, dal pH dell'acqua e dal tempo di contatto. Nelle applicazioni ingegneristiche, il cloro residuo nell'acqua è generalmente controllato a più di 0,5~1,0 mg e il tempo di reazione è controllato a 20~30 minuti. Il dosaggio di cloro deve essere determinato tramite debugging, poiché anche la materia organica presente nell'acqua consumerà il cloro. Il cloro viene utilizzato per la sterilizzazione e il valore di pH ottimale è 4~6.
L'uso della clorazione nei sistemi 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, in modo che il suo effetto battericida sia acido ipocloroso piuttosto che acido ipocloroso, e l'acido ipobromoso non si decompone a un pH più elevato. 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 riduzione della declorazione dopo la sterilizzazione con cloro.
4. Controllo dell'inquinamento organico
L'adsorbimento di materia organica sulla superficie della membrana causerà una diminuzione del flusso della membrana e, nei casi più gravi, causerà una perdita irreversibile del flusso della membrana e influirà sulla durata pratica della membrana.
Per quanto riguarda le acque superficiali, la maggior parte dell'acqua è costituita da prodotti naturali; attraverso il processo di chiarificazione per coagulazione, filtrazione per coagulazione DC e filtrazione a carbone attivo, è possibile ridurre notevolmente la materia organica nell'acqua, per soddisfare i requisiti dell'acqua ad osmosi inversa.
5. Controllo della polarizzazione della 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, chiamato polarizzazione di concentrazione. Quando si verifica questo fenomeno, sulla superficie della membrana si forma uno strato di concentrazione relativamente elevata e relativamente stabile, il cosiddetto "strato critico", che ostacola l'efficace attuazione del processo di osmosi inversa. Questo perché la polarizzazione di concentrazione aumenta la pressione permeabile della soluzione sulla superficie della membrana e la forza motrice del processo di osmosi inversa si riduce, con conseguente riduzione della resa idrica e della velocità di desalinizzazione. Quando la polarizzazione di concentrazione è elevata, alcuni sali leggermente disciolti precipitano e si depositano sulla superficie della membrana. Per evitare la polarizzazione di concentrazione, il metodo efficace è quello di mantenere il flusso di acqua concentrata sempre in uno stato turbolento, ovvero aumentando la portata in ingresso per aumentare la portata di acqua concentrata, in modo che la concentrazione di sali microdisciolti sulla superficie della membrana sia ridotta al valore più basso; Inoltre, dopo aver spento il dispositivo di trattamento dell'acqua ad osmosi inversa, l'acqua concentrata sul lato dell'acqua concentrata sostituita deve essere lavata in tempo.
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