טכנולוגיית זיקוק ממברנה

רקע טכני

בשנים האחרונות, מחסור במים וזיהום היו בעיות מרכזיות הפוקדות את התפתחות החברה האנושית. אופן השימוש בטכנולוגיה יעילה לטיפול במים כדי להשיג מים מתוקים ממי ים ומים מליחים, ולמחזר שפכים תעשייתיים, הוא המפתח לפתרון משבר המים.

כטכנולוגיה יעילה לטיפול במים, לטכנולוגיית הפרדת ממברנות יש מאפיינים של יעילות גבוהה, פעולה רציפה ויכולת שליטה חזקה, והיא נמצאת בשימוש נרחב בתחומי התפלת מי ים וטיפול בשפכים תעשייתיים.

עם זאת, לטכנולוגיות כגון אלקטרודיאליזה (אלקטרודיאליזה) ואוסמוזה הפוכה (RO) בטכנולוגיית הפרדת ממברנה עדיין יש בעיות כמו קצב ניצול תרמי נמוך, צריכת אנרגיה גבוהה, לחץ עבודה גבוה וזיהום משני. לכן, טכנולוגיות הפרדת ממברנות חדשות זכו לתשומת לב רחבה.

סקירה כללית

טכנולוגיית זיקוק ממברנה (MD) היא טכנולוגיית הפרדת ממברנה תרמית בטמפרטורה נמוכה שפותחה עם פיתוח התפלת ממברנות אוסמוזה הפוכה. כסוג חדש של טכנולוגיית ממברנה מונעת חום, יש לה סיכויי יישום טובים בתחום הטיפול בשפכים תעשייתיים בשל תנאי ההפעלה הקלים, קצב ייצור המים הגבוה, ביצועי ההפרדה הטובים והשימוש בחום פסולת תעשייתי. יחד עם זאת, בהשוואה לטכנולוגיות ממברנות מונעות לחץ מסורתיות כגון ננופילטרציה ואוסמוזה הפוכה, זיקוק ממברנה אינו דורש איכות גבוהה של מים גולמיים. בטיפול בשפכים ריכוזיים וקשים לפירוק ניתן לקבל מי תפוקה איכותיים, והם שימשו לטיפול בשפכים תעשייתיים טיפוסיים.

עִקָרוֹן

ניתן להתייחס פשוט לזיקוק ממברנה כשילוב של הפרדת ממברנה וטכנולוגיית זיקוק. זהו תהליך הפרדה המשתמש בממברנה מיקרו-נקבובית הידרופובי כתווך הפרדה ומשתמש בהפרש לחץ האדים משני צידי הממברנה ככוח מניע. צד אחד של הממברנה נמצא במגע ישיר עם הנוזל הגולמי. דרך הפרש הטמפרטורות משני צידי הממברנה, נוצר ממשק גז-נוזל על פני נקבוביות הממברנה ההידרופוביות. המים הנוזלים מתאדים לאדים ועוברים דרך נקבוביות הממברנה, ומתעבים למים מזוקקים בצד השני של הממברנה. חומרים לא נדיפים המומסים במים לא ינודו עם אדי מים, ובכך ישיגו הפרדה, ריכוז וטיהור של נוזל ההזנה.

המהות של תהליך זיקוק הממברנה היא תהליך העברת חום והעברת מסה, ובזיקוק ממברנה מתרחשות במקביל העברת חום והעברת מסה.

השיטה של ​​גז במהירות גבוהה הזורם דרך תא פאזת הגז כדי להוציא את הקיטור הרווי ולאחר מכן לעיבוי נקראת זיקוק ממברנה גז-סוויפ, ושיטה של ​​חילוץ הקיטור מתא פאזת הגז דרך ואקום ועיבוי זה נקראת ואקום זיקוק ממברנה;

השיטה של ​​הזרמת מי קירור ישירות דרך תא שלב האדים כדי לספוג קיטור רווי נקראת זיקוק קרום מגע ישיר;

השיטה של ​​שימוש במי קירור דרך מחליפי חום כדי לעבות באופן מיידי את הקיטור הרווי בתא פאזת האדים נקראת זיקוק ממברנת מרווח אוויר.

לסווג

במהלך תהליך זיקוק הממברנה, צד אחד של הממברנה נמצא במגע ישיר עם נוזל ההזנה, ואת הצד השני ניתן לחלק לארבע צורות שונות לפי שיטות העיבוי השונות (ראה איור 1): זיקוק ממברנה במגע ישיר (DCMD) , זיקוק ממברנה של מרווח אוויר (AGMD), זיקוק ממברנה עם גז סוויף (SGMD), וזיקוק ממברנות ואקום (VMD).

שני הצדדים של ממברנת DCMD נמצאים במגע עם נוזל ההזנה ומי הקירור במחזור בהתאמה. הפרש לחץ האדים הנוצר מהפרש הטמפרטורות הטרנס-ממברניות מניע את כל תהליך ההפרדה של הממברנה, ואדי המים המחלחלים מתעבים במי הקירור המסתובבים.

AGMD דומה ל-DCMD, אך מתווספת לוחית עיבוי בין הצד החם של הממברנה למי הקירור המסתובבים, עם מרווח אוויר לקירור באמצע. לאחר שאדי המים עוברים דרך הממברנה, הם מתעבים על צלחת הקירור ונאספים.

SGMD משתמש ישירות בגז יבש כדי לטהר באופן רציף את צד החדירה של קרום הזיקוק, ואדי המים המחלחלים נלקחים ממכשיר הזיקוק של הממברנה ומתעבים ונאספים.

VMD משתמשת במשאבת ואקום כדי לשאוב את צד החלחול ליצירת ואקום מסוים, ואדי המים מופקים ומקוררים לאחר מעבר דרך הממברנה.

יִתרוֹן

(1) תהליך זיקוק הממברנה מתבצע כמעט בלחץ רגיל, עם ציוד פשוט ותפעול קל. אפשר גם ליישם באזורים בעלי חוזק טכני חלש;

(2) בתהליך זיקוק הממברנה של תמיסה מימית מומסת לא נדיפה, מכיוון שרק אדי מים יכולים לעבור דרך נקבוביות הממברנה, התזקיק טהור מאוד, מה שצפוי להפוך לאמצעי יעיל להכנה בקנה מידה גדול ובעלות נמוכה של מים טהורים במיוחד;

(3) תהליך זה יכול לטפל בתמיסות מימיות בריכוז גבוה במיוחד. אם המומס הוא חומר שקל להתגבש, ניתן לרכז את התמיסה למצב רווי יתר ויתרחש התגבשות של זיקוק ממברנה. זהו תהליך הממברנה היחיד שיכול להפריד ישירות את המוצר הגבישי מהתמיסה;

(4) ניתן לעצב בקלות את רכיב זיקוק הממברנה לצורת התאוששות חום סמויה ויש לו את הגמישות ליצור מערכת ייצור בקנה מידה גדול עם רכיבי ממברנה קטנים יעילים;

(5) בתהליך זה, אין צורך לחמם את התמיסה לסף רתיחה. כל עוד הפרש הטמפרטורה בין שני הצדדים של הממברנה נשמר כראוי, ניתן לבצע את התהליך. אפשר להשתמש באנרגיה זולה כמו אנרגיה סולארית, אנרגיה גיאותרמית, מעיינות חמים, חום פסולת מפעל ושפכים תעשייתיים חמים.

בַּקָשָׁה

1. שפכים פטרוכימיים

תהליך הטיפול המסורתי של שפכים פטרוכימיים - תהליך "שלושת הסטים הישן", כלומר "הפרדת שמן-קרישה-סינון" או "הפרדת שמן-ציפה-סינון", קשה לעמוד בתקן הזרקת שפכים לאיכות המים המטופלים. נכון לעכשיו, אוסמוזה הפוכה (RO) ותהליך חמצון מתקדם (AOP) שימשו לטיפול בשפכים פטרוכימיים, אך ל-RO יש צריכת אנרגיה גבוהה, דרישות גבוהות לאיכות מים משפיעים וקצב שחזור מים נמוך בתפוקה. טכנולוגיית AOP המיוצגת על ידי פנטון דורשת תוספת של כימיקלים, אשר מייצרים כמות גדולה של בוצה. בהשוואה לטכנולוגיית ההתפלה המסורתית, זיקוק ממברנות יכול לטפל בשפכים עם TDS של עד 350,000 מ"ג/ליטר, יכול לפעול בלחץ נמוך יותר, ויש לו יכולת הסתגלות טובה יותר לשפכים פטרוכימיים.

יישום הנדסי מסוים מראה ששיעור ההתפלה של DCMD בטיפול בשפכים פטרוכימיים בעלי מינרלים גבוהים הוא עד 99%, והוא יכול להסיר ביעילות מזהמים אחרים כמו פחמן אורגני. עם זאת, לזיקוק ממברנה יש צריכת אנרגיה גבוהה ואינו חסכוני כמו RO. בהשוואה לטכנולוגיות ממברנות מונעות בלחץ (כגון RO), לזיקוק הממברנה יש נטייה נמוכה יותר להצטברות קנה מידה, אך אבנית ממברנות והרטבת ממברנות יובילו לירידה בקצב ייצור המים ובאיכות המים, במיוחד בתנאי התאוששות גבוהים. על מנת לעכב את הרטבת הממברנה, ניתן לשנות את ממברנת הזיקוק על מנת לשפר את תכונות הממברנה נוגדות עכירות ואנטי הרטבה.

2. שפכי דה גופרית מתחנות כוח פחמיות

שיטות הטיפול הקונבנציונליות לשפכי הסרת גופרית כוללות שיטות פיזיקליות, כימיות וביולוגיות. ביניהן, לרוב משתמשים בשיטות כימיות להסרת SS ומתכות כבדות, אך כאשר איכות המים ונפח המים משתנים מאוד, יעילות ההסרה של שיטה זו אינה גבוהה, ולא ניתן להסיר ביעילות את Cl ו-F-. כאשר משתמשים בפלפול להסרת משקעי SS ומשקעי מתכת, מהירות ההפרדה איטית מכיוון שמשקעי המתכת הם לרוב בגודל תת-מיקרון או ננומטר. טכנולוגיות ממברנה כגון מיקרופילטרציה (MF) ואולטרה סינון (UF) שימשו לטיפול בשפכים של הסרת גופרית, אך לא ניתן להזרים את השפכים המטופלים ישירות או לעשות בהם שימוש חוזר בשל ריכוז ה-TDS הגבוה שלהם. זיקוק ממברנה אינו דורש איכות גבוהה של מים זורמים, והוא יכול לטפל ביעילות בשפכים המכילים מלח בריכוז גבוה. הוא זכה לתשומת לב גוברת בתחום הטיפול בשפכים של הסרת גופרית.

שימוש בטכנולוגיית זיקוק ממברנות לטיפול בשפכי הסרת גופרית יכול להשיג מי פלט באיכות גבוהה. עם זאת, בשל הימצאותם של מזהמי אנרגיה עיליים נמוכה בשפכים, קל לגרום להרטבה וזיהום של הממברנה, דבר שיוביל להרעה באיכות מי הקולחים, יקצר את חיי השירות של הממברנה ויגדיל את עלות הטיפול.

בשנים האחרונות, בתגובה לבעיות של זיהום ממברנה והרטבת ממברנה, זכו תהליכים משולבים לתשומת לב מיוחדת. מחקרים מצאו שלצימוד זיקוק ממברנה עם תהליכים אחרים (כגון FO-MD) יש השפעות טיפול טובות יותר מטכנולוגיית זיקוק ממברנה בודדת, והוא יכול להאט ביעילות את הזיהום וההרטבה של הממברנה, ולהגדיל את חיי השירות של הממברנה. מחקרים הראו כי שילוב של קרישה מגנטית של סיד וזיקוק ממברנות לטיפול בשפכים של דה גופרית יכול להשיג מי פלט באיכות גבוהה, והממברנה אינה מציגה הרטבת ממברנה בפעולה ארוכת טווח.

3. שפכים רדיואקטיביים

נכון להיום, תהליך הטיפול העיקרי בשפכים רדיואקטיביים בארצי הוא משקעים צפצופים- אידוי- חילופי יונים, שבו משקעי צפצופים וחילופי יונים ייצרו מספר רב של מזהמים משניים, וצריכת האנרגיה של ריכוז האידוי גבוהה מדי. מחקרים הראו שטכנולוגיות ממברנות מונעות לחץ כמו RO יכולות להפריד ביעילות חומרים רדיואקטיביים, אך יעילות ההסרה של RO עבור בורון היא רק 40% עד 80%. למרות שניתן להגביר את קצב ההסרה של חומצה בורית על ידי התאמת ה-pH, בשל השפעת החציצה של חומצה בורית, יש צורך להוסיף כמות גדולה של אלקלי לצורך התאמה כדי להגדיל את מליחות הבור, ובכך להפחית את תפוקת המים של RO.

על מנת להסיר איזוטופים רדיואקטיביים של יונים קטנים בשפכים, יש צורך לשלב טכנולוגיית ממברנה מונעת בלחץ עם מורכבות כימית. המפתח טמון בהתחדשות של חומר הקומפלקס, ונדרש סינון נוסף. כאשר זיקוק ממברנה מטפל בשפכים רדיואקטיביים, ללחץ האוסמוטי ולקיטוב הריכוזים יש השפעה מועטה על שטף הממברנה, והוא יכול לפעול במליחות גבוהה.

The results show that when membrane distillation is used for radioactive wastewater treatment, the retention rate of radionuclides in wastewater is as high as 99%. Boric acid is an expensive filler in controlled pressure reactors. The use of hybrid membrane processes such as NF-VMD can achieve boric acid purification and meet the reuse requirements (boric acid concentration>40 גרם/ליטר). בנוסף, המסיסות של חומצת בור משתנה באופן משמעותי עם הטמפרטורה. גיבוש זיקוק ממברנה (VMDC) יכול לעשות שימוש מלא בתכונה זו כדי לרכז חומצת בור בשפכים.

המגע בין קרום הזיקוק לחומרים רדיואקטיביים יכול בקלות להרוס את יציבות הממברנה ואף לגרום להתפרקות הממברנה. לכן, לממברנת הזיקוק צריכה להיות עמידות מספקת לקרינה. מחקרים הראו ששינוי הפלרה של הממברנה יכול לשפר את עמידות הקרינה של הממברנה.

4. קוקינג שפכים

לשפכי קוקינג יש ריח חריף ומכילים מספר רב של מזהמים רעילים וקשים לפירוק. טכנולוגיות טיפול מסורתיות כוללות בעיקר שיטות טיפול פיזיקליות וכימיות, כגון מיצוי ממסים של תרכובות פנוליות והפשטת אמוניה, וכן שיטות טיפול ביולוגיות, כגון שיטת בוצה פעילה. עם זאת, השפכים המטופלים עדיין מכילים כמות גדולה של מלח ותרכובות מתכלות, כגון פחמימנים ארומטיים פוליציקליים ותרכובות הטרוציקליות.

לאחר תהליכי טיפול מקדים כגון פינוי שמן וזיקוק אמוניה, שפכי הקוקס עדיין יכולים לשמור על טמפרטורה של כ-50 מעלות, מה שמספק תנאים נוחים לזיקוק ממברנה לשימוש בחום פסולת תעשייתי לטיפול בשפכי קוקינג. בשנים האחרונות, היישום של טכנולוגיית זיקוק ממברנות לטיפול בשפכי קוקינג הפך בהדרגה למוקד מחקר. תוצאות מחקר מראות שלזיקוק ממברנה יש יעילות סילוק גבוהה עבור חומרים לא נדיפים, ושיעור סילוק המזהמים בשפכים הוא לרוב מעל 98%.

עם זאת, מזהמים הידרופוביים בשפכים, כגון פחמימנים ארומטיים ותרכובות הטרוסיקליות, מראים זיקה חזקה לממברנות הידרופוביות, מה שעלול להוביל בקלות להרטבת ממברנה ולעיבוי ממברנות. ניתן לשפר את התכונות נוגדות זיהום ואנטי הרטבה של הממברנה על ידי טיפול מקדים בשפכים או שינוי הממברנה.

5. שפכים פרמצבטיים

בטכנולוגיית הממברנה, ל-RO יש השפעת טיפול טובה על שפכים פרמצבטיים, אך צריכת האנרגיה גבוהה, ול-RO יש השפעת טיפול גרועה על תרכובות ניטרליות מולקולריות נמוכות כמו N-nitrosodimethylamine (NDMA). בשנים האחרונות נעשה שימוש הדרגתי בטכנולוגיית זיקוק ממברנות לטיפול בשפכים פרמצבטיים. בספרות, זיקוק ממברנה משמש לטיפול בשפכים תרופתיים, ושיעור ההסרה של תרופות כמו אנטיביוטיקה ותרכובות פנוליות בשפכים יכול להגיע עד 99%. עם זאת, קל להדביק חומרים הידרופוביים בשפכים על פני הממברנה, מה שמפחית את שטף הממברנה. טיפול מקדים בשפכים כגון פקקולציה ומשקעים, בשילוב עם זיקוק ממברנות, יכול להקל ביעילות על קנה המידה של הממברנה ולשפר את קצב הסרת התרופות בשפכים פרמצבטיים. בנוסף, שילוב של תהליכים אחרים עם זיקוק ממברנות (כגון תהליך צימוד MBR-MD) יכול להסיר ביעילות עקבות של תרופות בשפכים.

PROSPECT

טכנולוגיית זיקוק ממברנות התפתחה במהירות בשנים האחרונות והחלה לשמש לטיפול בשפכים תעשייתיים טיפוסיים כגון שפכים פטרוכימיים, שפכים של הסרת גופרית ושפכי קוקינג, אך היא מתמודדת עם בעיות רבות כגון קצב ניצול חום נמוך, עלות ממברנה גבוהה, זיהום ממברנה ו הַרטָבָה.

דרוש מחקר נוסף מההיבטים הבאים:

① להפחית את צריכת האנרגיה של מערכת זיקוק ממברנות, לשפר את יעילות הניצול של חום, ולבצע מחקר נוסף על אנרגיה סולארית, טכנולוגיות צימוד גיאותרמיות ואחרות עם זיקוק ממברנה;

② לפתח חומרי ממברנה חדשים, לעצב רכיבי ממברנה מגוונים ולשפר את שטף הממברנה;

③ עבור מנגנון היווצרות ואמצעי מניעה של קנה המידה של הממברנה, ניתן לדון לעומק על השפעת מאפייני הלכלוך, מאפייני הממברנה, סביבת ההפעלה ומאפייני החומר על מנגנון היווצרות הלכלוך;

④ יש כיום מעט מחקר על הערכת מחזור החיים של זיקוק ממברנות.

לכן, עריכת הערכת מחזור חיים של מערכת זיקוק הממברנה היא גם אחד מכיווני המחקר העתידיים.