ODNOWA WODY. Wykład 11 PROCESY MEMBRANOWE

Transkrypt

1 ODNOWA WODY Wykład 11 PROCESY MEMBRANOWE

2 Size ranges of dissolved and suspanded water constituents

3

4 Klasyfikacja procesów membranowych wg rodzaju sily napędowej wywołującej transport substancji przez membranę Różnica ciśnień Różnica stężeń Różnica temperatur Różnica potencjału elektrycznego Mikrofiltracja Perwaporacja Termoosmoza Elektrodializa Ultrafiltracja Separacja gazów Dest membranowa Elektroosmoza Nanofiltracja Dializa Odwrócona osmoza

5 8. Woda w przyrodzie cd zawiesiny mikrofauna zw. organiczne wirusy CO2 agresywny bakterie zapach roślinny H2O zapach nadmierny ChZT żelazo, mangan pestycydy CH4; H2S twardość metale barwa i mętność Woda w przyrodzie

6 filtracja (powolna) 8. cedzenie sedymentacja zawiesiny mikrofauna dezynfekcja zw. organiczne wirusy CO2 agresywny bakterie zapach roślinny zapach nadmierny H2O ChZT żelazo, mangan sorpcja pestycydy CH4; H2S napowietrzanie wiązanie chemiczne twardość metale barwa i mętność sedymentacja filtracja (szybka) utlenianie koagulacja

7 2. Rozmiary substancji rozpuszczonych i zawiesin 2.1. Rozmiary i masy cząsteczkowe cząstki rozpuszczone M. cząstecz. (D) koloidy 3 zawiesiny lg Φ Φ (µm)

8 2.2. Składniki wód w przyrodzie r k lg Φ Φ (µm) krzemionka glony bakterie cysty minerały ilaste k z kwasy kwasy fulwowe huminowe wirusy j.pr. j.złożon e

9 2.3. Metody fizyczne rozdzielania filtry n u µ cedzenie filtracja u-wir. wirow. RO ED Destyl. 3 sedymentacja lg Φ Φ (µm) Φ Φ,ς ρ D T, Rozp.

10 3. Rozmiary dodatków do wody S. nieorg. Makrocząst. Koloidy Zawiesiny Wirusy Bakterie Glony Pierwotniaki Oko Mikroskop opt. Mikroskop elek. φ (µm) 10-4 Filtracja Filt. membr u-filtr n-filtr O.osmoza

11 ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNEpodział metod usuwania Sedymentacja/Flotacja przegrody -kraty -sita -µ-sita -przegrody -membrany -µ-filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO) Filtracja złoża porowate -liczba warstw -jednowarstwowe -wielowarstwowe -szybkośc filtracji -powolne -szybkie -ciagłość pracy -ciągłe -okresowe(płukane) -specjalne -odżelazianie -wymiana jonowa -adsorpcja złoża namywane -perforowane -siatkowe

12 Filtracja cząstkowa - polega na usuwaniu zanieczyszczeń za pomocą filtrów ze złożem filtracyjnym lub wkładów wymiennych. Dolna granica filtracji wynosi 1 u. Mikrofiltracja -zakres filtracji wynosi od 0,05 u do 1 u. Ultrafiltracja - charakteryzuje się mniejszymi prędkościami przepływu, wynikającymi z małego mikronażu i odbywa się na specjalnych, podobnych do membrany osmotycznej, wkładach wymiennych. Zakres filtracji od 0,01 do 0,1 u. Nanofiltracja - jak wyżej, ale zakres filtracji wynosi od 0,001 u do 0,01 u. Hiperfiltracja - jest to filtracja wody metodą odwróconej osmozy

13 Układy technologiczne (c.d.) usuwanie barwy i mętności Wz K S F D Wu Wz U K S F D Wu usuwanie zawiesin, barwy i mętności Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilająca F - filtracja D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie

14 Mikrofiltracja Mikrofiltracja Separacja cząstek Separacja cząstek (np. wirusy i grzyby) (np. wirusy i grzyby) Ciśnienie osmotyczne można pominąć Ciśnienie osmotyczne można pominąć Niskie ciśnienie transmembranowe (<0,2 MPa) Niskie ciśnienie Symetryczna struktura transmembranowe membran (<0,2 MPa) Symetryczna struktura Grubość warstwy separującej 10 membran 150 μm Mechanizm separacji Grubość warstwy separującej Sitowy μm Ultrafiltracja Ultrafiltracja Separacja substancji Separacja jonówjonów Separacja wielkocząsteczkowych i wielowartościowych oraz oraz wielowartościowych Separacja substancji wielkocząsteczkowych i związków organicznych o koloidalnych ( np. bakterie ) M>300 koloidalnych ( np. bakterie ) Ciśnienie osmotyczne można pominąć Ciśnienie osmotyczne Niskie ciśnienie można pominąć transmembranowe ciśnienie (0,1Niskie 1,0 MPa) Asymetryczna struktura transmembranowe membran (0,1 1,0 MPa) Grubość warstwy separującej Asymetryczna ( naskórkowej struktura ) 0,1 membran 1,0 μm Odwrócona osmozaosmoza Odwrócona Nanofiltracja Nanofiltracja Separacja substancji Separacja substancji małocząsteczkowych małocząsteczkowych ( np. sole ) związków organicznych o ( np. sole ) Wysokie ciśnienie M>300 Ciśnienie osmotyczne osmotyczne Ciśnienie osmotyczne Wysokie ciśnienie osmotyczne ( ok. 0,5 2,5 MPa ) odgrywa rolę odgrywa rolę ( ok.ciśnienie 0,5 2,5 MPa ) Wysokie Ciśnienie transmembranowe transmembranowe (0,5 2,0 MPa) Wysokie ciśnienie Ciśnienie transmembranowe ( 1,0 6,0 MPa ) (0,5 2,0 MPa) Asymetryczna struktura Asymetryczna struktura membran Grubość warstwy separującej (Asymetryczna naskórkowej ) struktura transmembranowe ( 1,0 6,0 MPa ) membrany Grubość warstwy separującej membran 0,1 1,0 μm Asymetryczna struktura ( naskórkowej ) membrany 0,1 1,0 μm Mechanizm oparty Grubość warstwy separującej Grubośćseparacji warstwy separującejmechanizm Grubość warstwy separującej Mechanizm separacji separacji oparty (Sitowy naskórkowej ) na rozpuszczaniu i dyfuzji ) ( naskórkowej ( naskórkowej na rozpuszczaniu i dyfuzji ) 0,1 1,0 μm 0,1 1,0 μm 0,1 1,0 μm Mechanizm separacji Mechanizm separacji Mechanizm separacji oparty Mechanizm separacji oparty na Sitowy Sitowy na rozpuszczaniu i dyfuzji rozpuszczaniu i dyfuzji

15 p MPa Odwrócona osmoza Nanofiltracja 1 Ultrafiltracja Mikrofiltracja 0,1 0,01 0,0001 Filtracja 0,001 0,01 0, Średnica µm Ciśnieniowe procesy membranowe

16 3. Odwrócona osmoza zjawisko definicja symbole

17 Odwrócona osmoza (1) błona półprzepuszczalna równowaga dynamiczna osmoza roztwór soli c ( n cm )

18 Odwrócona osmoza (1) błona półprzepuszczalna równowaga dynamiczna osmoza roztwór soli c ( n cm )

19 Odwrócona osmoza (2) osmoza roztwór soli c ( n cm ) Π ciśnienie osmotyczne Π = k c rozcieńczenie roztworu soli

20 Odwrócona osmoza (3) Π ciśnienie osmotyczne Π = k c rozcieńczenie roztworu soli Π odwrócona osmoza

21 Odwrócona osmoza (4) Π odwrócona osmoza >Π odwrócona osmoza - zatężenie roztworu soli

22 Π 1. Π 2. Odwrócona Osmoza-OO/RO >Π

23 1. Rozpowszechnienie 1.1. Na świecie uzdatnianie wody słonej oczyszczanie ścieków przemysłowych uzdatnianie ścieków komunalnych 2.2. W Polsce uzdatnianie wody (laboratoria, przemysł, gospodarstwo domowe) oczyszczanie odcieków

24 3. Odwrócona osmoza zjawisko definicja symbole

25 Zasilanie (Qz, Cz) Permeat (Qp, Cp) Koncentrat (solanka) (Qs, Cs) Qz = Qp Qs Qz Cz = Qp Cp Qs Cs

26 4. Charakterystyka ilościowa współczynnik retencji (stopień zatrzymania, współczynnik eliminacji) Rs = Cz - Cp Cz (100%) stopień konwersji Y= Qp Qz (100%)

27 przepływ objętościowy Vr Iv = t Sm [m3/m2d] Iv L= p [m3/m2dmpa] V objętość t czas S powierzchnia L przepływ hydrauliczny Iv przepływ objętościowy

28 5. Przepływ objętościowy a selektywność przepływ objętościowy wody Iw = - A ( P - Π ) przepływ substancji rozpuszczonej I s = - B C Π ciśnienie osmotyczne P ciśnienie robocze A, B = f (T, P, C, memb) C stężenie

29 6. Praktyka odwróconej osmozy uproszczony schemat instalacji membrany fouling moduły membranowe

30 MEMBRANY SYNTETYCZNE CIEKŁE BIOLOGICZNE STAŁE ORGANICZNE NIEPOROWATE ASYMETRYCZNE KOMPOZYTOWE NIEORGANICZNE POROWATE SYMETRYCZNE ASYMETRYCZNE INWERSJA FAZ Klasyfikacja membran POROWATE SYMETRYCZNE ASYMETRYCZNE

31 Membrana integralnie asymetryczna Membrana asymetrycznie złożona Warstwa aktywna 1 µm Porowata warstwa nosna

32 Membrany do odwróconej osmozy Producent Abcor DDS Dow Baza Polimerowa 2.5 octan celulozy 2.5 octan celulozy filtracji m3/(m2xd) Rurowa Płaska zatrzymania Ciśnienie Zakres soli MPa ph % Maksymalna Temperatura 0 C Włókna celulozy kapilarne Rurowa Płaska octan Candy celulozy Du Pont Konfiguracja Stopień Trioctan Paterson Sartorius Szybkość Trójoctan celulozy Aromatyczn y poliamid Włókna kapilarne B 9, B 10

33

34

35

36

37 >Π woda uzdatniana P ZZ koncentrat solanka(retentat) ZD membrana permeat (woda oczyszczona) Schemat filtracji powierzchniowej(cedzenie)

38 Czynniki ograniczające proces odwróconej osmozy czynniki ograniczające uszkadzające - kwasy - zasady - wolny chlor - wolny tlen - bakterie - rozpuszczalniki blokujące - foulnig - skaling zmniejszające wydajność - ciśnienie osmotyczne - lepkość

39 Membrana Octan celulozy Poliamid Membrany kompozytowe: FT 30 NTR 7250 PA 300, NTR 7197 Odporność na chlor do 1 mg/l ph < 8 do 0.1 mg/l ph > 8 do 0.25 mg/l < 0.1 mg/l do 1 ppm 0 mg/l

40 Środki czyszczące i warunki ich stosowania Substancje tworzące warstwę powierzchniową Środek czyszczący Kamień wapienny Warunki Roztwór 1 2 % procentowy Wodorotlenki metali Kwas cytrynowy Koloidy nieorganiczne ph 4 ustala się za pomocą NH4OH Roztwór 1 2 procentowy Kamień wapienny ph 7 EDTA ustala się za pomocą NH4OH lub NaOH Substancje organiczne Bakterie Bakterie Anionowy środek powierzchniowo czynny, np. siarczan sodowo laurylowy Formaldehyd Roztwór procentowy ph 7 ustala się za pomocą H2SO4 lub NaOH Roztwór procentowy

41 Moduły membranowe Modułem membranowym jest zwarta jednostka konstrukcyjna, która posiada odpowiednio upakowane błony zapewniające durzą powierzchnię rozdziału. Rodzaj modułu Spiralny Rodzaj procesu membranowego odwrócona osmoza Włókna odwrócona kanalikowe osmoza Płytowo ramowy Rurowy Kapilarny odwrócona osmoza odwrócona osmoza membrany ciekłe Perwaporacja Perwaporacja separacja gazów ultrafiltracja separacja gazów Perwaporacja ultrafiltracja elektrodializa Mikrofiltracja Perwaporacja ultrafiltracja Mikrofiltracja Perwaporacja ultrafiltracja Mikrofiltracja

42 Moduły rurowe dw = 6 24 mm. Cechy charakterystyczne zasilanie wewnątrz rury rura nośna przepływ turbulentny Zalety niewrażliwe na blokowanie możliwość czyszczenia mały spadek ciśnienia w module mała gęstość upakowania ( < 80 m2/m3 ) Wady duże strumienie objętościowe zasilania w stosunku do powierzchni membrany niezbędne połączenie z elementami zawracającymi przepływ (wzrost strat ciśnienia)

43 Moduły spiralne proste, tanie wytwarzanie Zalety stosunkowo duża gęstość upakowania ( < 1000 m2/m3 ) dobra wymiana masy dzięki odstępnikom w strumieniu zasilającym Wady długa droga przepływu permeatu złe możliwości czyszczenia membrana musi się nadawać do zgrzewania lub sklejania

44 Moduły kapilarne dw = mm. Cechy charakterystyczne Zasilanie wewnątrz rurek Samonośne Zalety Większa gęstość upakowania niż w modułach rurowych Tańsze wytwarzanie Wady Na ogół laminarny przepływ ( gorsza wymiana masy ) mała odporność na ciśnienie

45 Sposoby prowadzenia filtracji Statyczny Dynamiczny

46

47 Zastosowanie technik membranowych Procesy membranowe Zastosowanie Odwrócona osmoza oczyszczanie roztworów wodnych, odsalanie, usuwanie metali ciężkich Frakcjonowanie substancji rozpuszczonych w roztworach wodnych, usuwanie jonów dwuwartościowych, zmiękczanie wody, usuwanie małocząsteczkowych związków organicznych zatężanie, frakcjonowanie i oczyszczanie makromolekularnych roztworów wodnych, usuwanie substancji koloidalnych i wielkocząsteczkowych, oczyszczanie ścieków emulsyjnych oddzielanie jonów z wodnych roztworów, odsalanie, usuwanie cyjanków, azotanów, metali ciężkich oczyszczanie powietrza Nanofiltracja Ultrafiltracja Elektrodializa Perwaporacja

48 Zastosowanie membran w uzdatnianiu wody Substancje Wielkoś Procesy ć Chemicz (μm, MF UF NF RO kd) ne MF/UF Węgiel aktywny MF/UF Pierwotniaki >10 Bakterie coli >10 Mętność 1 0,1 Cysty Ok. 0,1 Wirusy 0,01 0,1 THMP <10 kd Barwa <10 kd Sub.organiczne <1 kd Sub. Jonowe <0,1kD

49 Demineralizacja wody, dwustopniowa OO Wskaźnik Woda obciążenia surowa RO I RO I RO II Zasilanie permeat zasilanie Woda zdemineralizowana mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 Wapń ,2 0,2 0,05 Magnez ,5 0,5 0,05 Sód ,8 3,6 0,3 Potas 7 4 0,3 0,3 0 SO ,4 1,9 0,01 Chlorki ,8 1,0 0,01 ph 7,4 5,8 5,1 6,2 5,8 Zasadowość ,8 CO ,0 2,0 Chlor 0 0, SiO2 31,7 32 6,1 6,2 0, ,5 Przewodność S/cm

50 Zastosowanie membran do oczyszczania scieków Substancje MF UF NF RO ED D MD PV LM MC H1 H2 H3 Zawiesiny Koloidy Związki org. Wielkocząsteczkowe Związki org. Małocząsteczkowe Rozpuszczalne gazy Sole D dializa, ED elektrodializa, H1 działanie chemiczne MF/UF, H2 adsorpcja MF/UF, H3 oczyszczanie biologiczne MF/UF, LM membrany ciekłe, MC kontaktory membranowe, MD destylacja membranowa, MF mikrofiltracja, NF nanofiltracja, PV perwaporacja, RO odwrócona osmoza, UF ultrafiltracja, ( ) praktycznie całkowite usunięcie, ( ) usunięcie możliwe.

51

52

53 Inne zastosowania- odkwaszanie wody Woda CO2 (O2) 250um

54 Najbardziej ekonomicznym sposobem obniżenia TEA jest usunięcie CO2 Okazuje się że zmiękczanie i RO które stosowane są do oczyszczania wody przed EDI nie usuwają CO2. Można tu zastosować kontraktory membranowe Kontraktory membranowe -hydrofobowa membrana umożliwiająca kontakt odkwaszanej wody i gazu np..powietrza, manipulując ciśnieniem cząstkowym usuwanego z wody gazu, możemy uzyskać Jego całkowite usuniecie z wody

55

56

57

58

59

60 These reverse osmosis (RO) systems are a reliable and cost effective answer to a wide range of commercial and industrial water purification requirements. Designed to produce from 7200 to 216,000 gallons per day of high purity water these systems utilize stateofthe-artromembranes which can provide: % reduction in dissolved inorganics 95-99% reduction in organics greater than 150NMW 99% reduction in suspended particles, colloids, microganisms and pyrogens

61

62

63

64 Ultrafiltracja Elektrodializa

65

66 Electrodeionization (EDI) Electrodeionization (EDI) - process that removes ionized and ionizable species from liquids usingelectrically active media and using an electricalpotential to influence ion transport. Since the introduction of a commercial EDI inthe late 80 s many new EDI products have entered the market, i.e. thin cell, thick cell, spiral, plate and frame, homogeneous membrane vs. heterogeneous membrane, single bed technology vs. mixed bed technology etc. Let AWS clear the turbid waters of technology in explaining the differences in EDI stacks and what that means to your EDI system maintenance and care. We ve worked with all the major suppliers and specialize in EDI. We consider this one of our many core competencies.

67