ODNOWA WODY Wykład 11 PROCESY MEMBRANOWE
Size ranges of dissolved and suspanded water constituents
Klasyfikacja procesów membranowych wg rodzaju sily napdowej wywołujcej transport substancji przez membran Rónica cinie Rónica ste Rónica temperatur Rónica potencjału elektrycznego Mikrofiltracja Perwaporacja Termoosmoza Elektrodializa Ultrafiltracja Separacja gazów Dest membranowa Elektroosmoza Nanofiltracja Dializa Odwrócona osmoza
8. Woda w przyrodzie cd zawiesiny mikrofauna zw. organiczne wirusy bakterie zapach rolinny elazo, mangan CH 4 ; H 2 S H 2 O twardo metale CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno Woda w przyrodzie
8. cedzenie filtracja (powolna) sedymentacja zawiesiny dezynfekcja napowietrzanie wirusy bakterie zapach rolinny elazo, mangan mikrofauna CH 4 ; H 2 S H 2 O twardo metale zw. organiczne sedymentacja filtracja (szybka) CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno koagulacja wizanie chemiczne sorpcja utlenianie
2. Rozmiary substancji rozpuszczonych i zawiesin 2.1. Rozmiary i masy czsteczkowe -6-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 1 10 10 2 10 3 lg Φ Φ (µm) 10 2 10 4 10 6 M. czstecz. (D) czstki rozpuszczone koloidy zawiesiny
2.2. Składniki wód w przyrodzie -6-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 1 10 10 2 10 3 j.pr. r k k z minerały ilaste kwasy kwasy fulwowe huminowe wirusy j.złoone bakterie krzemionka glony cysty
2.3. Metody fizyczne rozdzielania -6-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 1 10 10 2 10 3 filtry n u µ cedzenie RO ED Destyl. u-wir. wirow. filtracja sedymentacja Φ Φ,ς ρ D T, Rozp.
3. Rozmiary dodatków do wody S. nieorg. Makroczst. Koloidy Zawiesiny Wirusy Bakterie Glony Pierwotniaki Oko Mikroskop opt. Mikroskop elek. φ (µm) 10-4 -3-2 -1 1 0 1 2 10 3 Filtracja Filt. membr u-filtr n-filtr O.osmoza
ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNEpodział metod usuwania Sedymentacja/Flotacja Filtracja przegrody -kraty -sita -µ-sita -przegrody -membrany -µ-filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO) złoa porowate -liczba warstw -jednowarstwowe -wielowarstwowe -szybkoc filtracji -powolne -szybkie -ciagłopracy -cigłe -okresowe(płukane) -specjalne -odelazianie -wymiana jonowa -adsorpcja złoa namywane -perforowane -siatkowe
Filtracja czstkowa - polega na usuwaniu zanieczyszcze za pomoc filtrów ze złoem filtracyjnym lub wkładów wymiennych. Dolna granica filtracji wynosi 1 u. Mikrofiltracja -zakres filtracji wynosi od 0,05 u do 1 u. Ultrafiltracja - charakteryzuje si mniejszymi prdkociami przepływu, wynikajcymi z małego mikronau i odbywa si na specjalnych, podobnych do membrany osmotycznej, wkładach wymiennych. Zakres filtracji od 0,01 do 0,1 u. Nanofiltracja - jak wyej, ale zakres filtracji wynosi od 0,001 u do 0,01 u. Hiperfiltracja - jest to filtracja wody metod odwróconej osmozy
Układy technologiczne (c.d.) usuwanie barwy i mtnoci Wz K S F D Wu Wz U K S F D Wu usuwanie zawiesin, barwy i mtnoci Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilajca F - filtracja D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie
Mikrofiltracja Ultrafiltracja Nanofiltracja Odwrócona Odwrócona osmoza osmoza Separacja substancji Separacja Separacja jonów jonów Separacja substancji Separacja czstek Separacja substancji wielkoczsteczkowych i wielowartociowych oraz małoczsteczkowych Separacja substancji (np. Separacja wirusy i grzyby) czstek wielowartociowych oraz wielkoczsteczkowych i koloidalnych ( np. bakterie ) zwizków organicznych o ( np. małoczsteczkowych sole ) (np. wirusy i grzyby) zwizków organicznych o Cinienie osmotyczne koloidalnych ( np. bakterie ) M>300 Wysokie cinienie ( np. sole ) Cinienie osmotyczne M>300 mona pomin Cinienie osmotyczne osmotyczne Cinienie osmotyczne Cinienie mona pomin osmotyczne Cinienie osmotyczne Wysokie cinienie osmotycz odgrywa rol ( ok. 0,5 2,5 MPa ) Niskie cinienie Niskie mona cinienie pomin mona pomin odgrywa rol transmembranowe Cinienie transmembranowe Wysokie ( ok. cinienie 0,5 2,5 MPa ) transmembranowe transmembranowe (0,1 Niskie 1,0 MPa) cinienie (0,5 2,0 MPa) Wysokie cinienie Niskie (<0,2 MPa) cinienie Cinienie transmembranowe ( 1,0 6,0 MPa ) Asymetryczna transmembranowe struktura Asymetryczna struktura transmembranowe Symetryczna transmembranowe struktura (0,5 2,0 MPa) Asymetryczna struktura membran membran membran (0,1 1,0 MPa) membrany ( 1,0 6,0 MPa ) (<0,2 MPa) Grubo warstwy separujcej Grubo warstwy separujcej Grubo warstwy separujcej Grubo Symetryczna warstwy separujcej struktura Asymetryczna ( naskórkowej ) struktura ( Asymetryczna naskórkowej ) struktura Asymetryczna struktura ( naskórkowej ) 10 membran 150 m 0,1 membran 1,0 m 0,1 1,0 membran m membrany 0,1 1,0 m Mechanizm separacji Grubo Mechanizm warstwy separacji separujcej Mechanizm Grubo separacji warstwy oparty separujcejmechanizm Grubo separacji warstwy oparty separujc Grubo warstwy separujcej Sitowy ( Sitowy naskórkowej ) na rozpuszczaniu ( naskórkowej i dyfuzji ) na rozpuszczaniu ( naskórkowej i dyfuzji ) 10 150 m 0,1 1,0 m 0,1 1,0 m 0,1 1,0 m Mechanizm separacji Sitowy Mechanizm separacji Sitowy Mechanizm separacji oparty na rozpuszczaniu i dyfuzji Mechanizm separacji oparty rozpuszczaniu i dyfuzji
p MPa 100 10 1 0,1 Odwrócona osmoza Nanofiltracja Ultrafiltracja Mikrofiltracja Filtracja 0,01 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 rednica µm Cinieniowe procesy membranowe
3. Odwrócona osmoza zjawisko definicja symbole
Odwrócona osmoza (1) błona półprzepuszczalna równowaga dynamiczna osmoza roztwór soli c ( n c m )
Odwrócona osmoza (1) błona półprzepuszczalna równowaga dynamiczna osmoza roztwór soli c ( n c m )
Odwrócona osmoza (2) osmoza roztwór soli c ( n c m ) Π cinienie osmotyczne Π = k c rozcieczenie roztworu soli
Odwrócona osmoza (3) Π cinienie osmotyczne Π = k c rozcieczenie roztworu soli Π odwrócona osmoza
Odwrócona osmoza (4) Π odwrócona osmoza > Π odwrócona osmoza - zatenie roztworu soli
Π 1. 2. 3. Π > Π Odwrócona Osmoza-OO/RO 1-2-3-4-5 4. 5.
1. Rozpowszechnienie 1.1. Na wiecie uzdatnianie wody słonej oczyszczanie cieków przemysłowych uzdatnianie cieków komunalnych 2.2. W Polsce uzdatnianie wody (laboratoria, przemysł, gospodarstwo domowe) oczyszczanie odcieków
3. Odwrócona osmoza zjawisko definicja symbole
Zasilanie (Q z, C z ) Permeat (Q p, C p ) Koncentrat (solanka) (Q s, C s ) Q z = Q p + Q s Q z C z = Q p C p + Q s C s
4. Charakterystyka ilociowa współczynnik retencji (stopie zatrzymania, współczynnik eliminacji) R s = C C - C stopie konwersji z z p (100%) Y = Q p (100%) Q z
przepływ objtociowy I v = V r t S m [m 3 /m 2 d] L = I v [m 3 /m 2 dmpa] p V objto t czas S powierzchnia L przepływ hydrauliczny I v przepływ objtociowy
5. Przepływ objtociowy a selektywno przepływ objtociowy wody I w = - A ( P - Π) przepływ substancji rozpuszczonej I s = - B C Π cinienie osmotyczne P cinienie robocze A, B = f (T, P, C, memb) C stenie
6. Praktyka odwróconej osmozy uproszczony schemat instalacji membrany fouling moduły membranowe
MEMBRANY SYNTETYCZNE BIOLOGICZNE CIEKŁE STAŁE ORGANICZNE NIEORGANICZNE NIEPOROWATE POROWATE POROWATE ASYMETRYCZNE SYMETRYCZNE ASYMETRYCZNE SYMETRYCZNE ASYMETRYCZNE KOMPOZYTOWE INWERSJA FAZ Klasyfikacja membran
Membrana integralnie asymetryczna Membrana asymetrycznie złoona Warstwa aktywna 1 µm Porowata warstwa nosna
Membrany do odwróconej osmozy Producent Abcor DDS Dow Paterson Candy Sartorius Du Pont Stopie Szybko Baza Polimerowa Konfiguracja zatrzymania Cinienie filtracji soli MPa m 3 /(m 2 xd) % Zakres ph Maksymalna Temperatura 2.5 octan Rurowa 0.4 96.0 4.0 3 7 35 celulozy 2.5 octan 0.4 99.0 4.0 2-8 Płaska celulozy 1.3 95.0 7.0 2 8 Trioctan celulozy 2.5 octan celulozy Trójoctan celulozy Aromatyczn y poliamid Włókna 0.03 98.7 5.6 4 7.5 kapilarne 0.2 97.0 2.8 6.8 Rurowa 0.5 98.0 4.0 3 6 30 Płaska 0.3 99.8 10.5 5 7 35 Włókna 0.04 98.5 5.6 5 9 35 kapilarne 0.05 95.0 2.8 4 11 35 B 9, B 10 0 C 30 30 35 35
> Π P woda uzdatniana ZZ membrana koncentrat solanka(retentat) ZD permeat (woda oczyszczona) Schemat filtracji powierzchniowej(cedzenie)
Czynniki ograniczajce proces odwróconej osmozy czynniki ograniczajce uszkadzajce blokujce zmniejszajce wydajno - kwasy - foulnig - cinienie osmotyczne - zasady - skaling - lepko - wolny chlor - wolny tlen - bakterie - rozpuszczalniki
Membrana Odporno na chlor Octan celulozy Poliamid do 1 mg/l ph < 8 do 0.1 mg/l ph > 8 do 0.25 mg/l Membrany kompozytowe: FT 30 NTR 7250 PA 300, NTR 7197 < 0.1 mg/l do 1 ppm 0 mg/l
rodki czyszczce i warunki ich stosowania Substancje tworzce warstw powierzchniow rodek czyszczcy Warunki Kamie wapienny Wodorotlenki metali Koloidy nieorganiczne Kwas cytrynowy Roztwór 1 2 % procentowy ph 4 ustala si za pomoc NH 4 OH Kamie wapienny Substancje organiczne Bakterie EDTA Anionowy rodek powierzchniowo czynny, np. siarczan sodowo laurylowy Roztwór 1 2 procentowy ph 7 ustala si za pomoc NH 4 OH lub NaOH Roztwór 0.1 1 procentowy ph 7 ustala si za pomoc H 2 SO 4 lub NaOH Bakterie Formaldehyd Roztwór 0.1 1 procentowy
Moduły membranowe Modułem membranowym jest zwarta jednostka konstrukcyjna, która posiada odpowiednio upakowane błony zapewniajce durz powierzchni rozdziału. Rodzaj modułu Rodzaj procesu membranowego Spiralny odwrócona osmoza Perwaporacja separacja gazów ultrafiltracja Włókna kanalikowe odwrócona osmoza Perwaporacja separacja gazów Płytowo ramowy Rurowy odwrócona osmoza odwrócona osmoza Perwaporacja ultrafiltracja elektrodializa Mikrofiltracja Perwaporacja ultrafiltracja Mikrofiltracja Kapilarny membrany ciekłe Perwaporacja ultrafiltracja Mikrofiltracja
Moduły rurowe Cechy charakterystyczne Zalety Wady d w = 6 24 mm. zasilanie wewntrz rury rura nona przepływ turbulentny niewraliwe na blokowanie moliwo czyszczenia mały spadek cinienia w module mała gsto upakowania ( < 80 m 2 /m 3 ) due strumienie objtociowe zasilania w stosunku do powierzchni membrany niezbdne połczenie z elementami zawracajcymi przepływ (wzrost strat cinienia)
Moduły spiralne Zalety proste, tanie wytwarzanie stosunkowo dua gsto upakowania ( < 1000 m 2 /m 3 ) dobra wymiana masy dziki odstpnikom w strumieniu zasilajcym Wady długa droga przepływu permeatu złe moliwoci czyszczenia membrana musi si nadawa do zgrzewania lub sklejania
Moduły kapilarne Cechy charakterystyczne Zalety d w = 0.5 6 mm. Zasilanie wewntrz rurek Samonone Wiksza gsto upakowania ni w modułach rurowych Tasze wytwarzanie Wady Na ogół laminarny przepływ ( gorsza wymiana masy ) mała odporno na cinienie
Sposoby prowadzenia filtracji Statyczny Dynamiczny
Zastosowanie technik membranowych Procesy membranowe Odwrócona osmoza Nanofiltracja Ultrafiltracja Elektrodializa Perwaporacja Zastosowanie oczyszczanie roztworów wodnych, odsalanie, usuwanie metali cikich Frakcjonowanie substancji rozpuszczonych w roztworach wodnych, usuwanie jonów dwuwartociowych, zmikczanie wody, usuwanie małoczsteczkowych zwizków organicznych zatanie, frakcjonowanie i oczyszczanie makromolekularnych roztworów wodnych, usuwanie substancji koloidalnych i wielkoczsteczkowych, oczyszczanie cieków emulsyjnych oddzielanie jonów z wodnych roztworów, odsalanie, usuwanie cyjanków, azotanów, metali cikich oczyszczanie powietrza
Zastosowanie membran w uzdatnianiu wody Substancje Wielko (m, kd) MF UF NF RO Procesy Chemicz ne +MF/UF Wgiel aktywny +MF/UF Pierwotniaki >10 ++ ++ ++ + ++ ++ Bakterie coli >10 ++ ++ ++ + ++ ++ Mtno 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 + ++
Demineralizacja wody, dwustopniowa OO Wska nik Woda RO I RO I RO II Woda obcienia surowa Zasilanie permeat zasilanie zdemineralizowana mg/dm 3 mg/dm 3 mg/dm 3 mg/dm 3 mg/dm 3 Wap 13 12 0,2 0,2 0,05 Magnez 19 19 0,5 0,5 0,05 Sód 27 22 2,8 3,6 0,3 Potas 7 4 0,3 0,3 0 SO 4 2-27 71 0,4 1,9 0,01 Chlorki 27 22 0,8 1,0 0,01 ph 7,4 5,8 5,1 6,2 5,8 Zasadowo 111 40 8 8 0,8 CO 2 8 79 78 2,0 2,0 Chlor 0 0,4 0 0 0 SiO 2 31,7 32 6,1 6,2 0,035 Przewodno S/cm 331 335 21 23 1,5
Zastosowanie membran do oczyszczania scieków Substancje MF UF NF RO ED D MD PV LM MC H1 H2 H3 Zawiesiny ++ ++ + + + ++ + Koloidy ++ ++ + + + ++ + Zwizki org. + ++ + + + ++ Wielkoczsteczkowe Zwizki org. Małoczsteczkowe + + ++ ++ ++ + ++ ++ ++ ++ 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 usunicie, ( + ) usunicie moliwe.
Inne zastosowania- odkwaszanie wody Woda +CO2 (+O2) 250um
Najbardziej ekonomicznym sposobem obnienia TEA jest usunicie CO2 Okazuje sie zmikczanie i RO które stosowane s do oczyszczania wody przed EDI nie usuwaj CO2. Mona tu zastosowa kontraktory membranowe Kontraktory membranowe -hydrofobowa membrana umoliwiajca kontakt odkwaszanej wody i gazu np..powietrza, manipulujc cinieniem czstkowym usuwanego z wody gazu, moemy uzyska Jego całkowite usuniecie z wody
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: 99-99.99% reduction in dissolved inorganics 95-99% reduction in organics greater than 150NMW 99%+ reduction in suspended particles, colloids, microganisms and pyrogens
Ultrafiltracja Elektrodializa
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.