docODNOWA WODY
download 
Reklamacja Transkrypt
ODNOWA WODY
ODNOWA WODY Wykład 11 PROCESY MEMBRANOWE Size ranges of dissolved and suspanded water constituents Klasyfikacja procesów membranowych wg rodzaju sily nap dowej wywołuj cej transport substancji przez membran Ró nica ci nie Ró nica st e Ró nica temperatur Ró nica 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 CO2 agresywny bakterie zapach ro linny H2O zapach nadmierny ChZT elazo, mangan pestycydy CH4; H2S twardo metale barwa i m tno Woda w przyrodzie filtracja (powolna) 8. cedzenie sedymentacja zawiesiny mikrofauna dezynfekcja zw. organiczne wirusy CO2 agresywny bakterie zapach ro linny zapach nadmierny H2O ChZT elazo, mangan sorpcja pestycydy CH4; H2S napowietrzanie wi zanie chemiczne twardo metale barwa i m tno sedymentacja filtracja (szybka) utlenianie koagulacja 2. Rozmiary substancji rozpuszczonych i zawiesin 2.1. Rozmiary i masy cz steczkowe -6 -5 -4 -3 -2 10-6 10-5 10-4 10-3 102 104 -1 0 1 0.01 0.1 1 10 102 106 cz stki rozpuszczone 2 M. cz stecz. (D) koloidy zawiesiny 3 103 lg Φ Φ (µm) 2.2. Składniki wód w przyrodzie -6 -5 -4 -3 -2 -1 10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 r k 0 1 1 10 102 k z bakterie minerały ilaste kwasy kwasy fulwowe huminowe wirusy j.pr. j.zło one 2 3 103 lg Φ Φ (µm) krzemionka glony cysty 2.3. Metody fizyczne rozdzielania -6 -5 -4 -3 -2 -1 10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 filtry n u 0 1 1 10 102 µ 2 RO ED Destyl. 103 cedzenie filtracja u-wir. wirow. 3 sedymentacja lg Φ Φ (µm) Φ Φ,ς ρ D T, Rozp. 3. Rozmiary ‘dodatków’ do wody S. nieorg. Makrocz st. Koloidy Zawiesiny Wirusy Bakterie Glony Pierwotniaki Oko Mikroskop opt. Mikroskop elek. φ (µ µm) Filtracja Filt. membr u-Filtr n-Filtr O.osmoza 10-4 -3 -2 -1 0 1 1 2 103 ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNEpodział metod usuwania Sedymentacja/Flotacja przegrody -kraty -sita -µ-sita -przegrody -membrany -µ-filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO) Filtracja zło a porowate -liczba warstw -jednowarstwowe -wielowarstwowe -szybko c filtracji -powolne -szybkie -ciagło pracy -ci głe -okresowe(płukane) -specjalne -od elazianie -wymiana jonowa -adsorpcja zło a namywane -perforowane -siatkowe Filtracja cz stkowa - polega na usuwaniu zanieczyszcze za pomoc filtrów ze zło em 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 pr dko ciami przepływu, wynikaj cymi z małego mikrona u i odbywa si na specjalnych, podobnych do membrany osmotycznej, wkładach wymiennych. Zakres filtracji od 0,01 do 0,1 u. Nanofiltracja - jak wy ej, 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 m tno ci Wz K S F D Wu Wz U K S F D Wu — usuwanie zawiesin, barwy i m tno ci Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilaj ca F - filtracja D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie Ultrafiltracja Ultrafiltracja Mikrofiltracja Mikrofiltracja Separacja cz stek Separacja cz stek (np. wirusy i grzyby) (np. wirusy i grzyby) Ci nienie osmotyczne – mo na pomin Ci nienie osmotyczne – mo na Niskie ci pomin nienie transmembranowe (<0,2 MPa) Niskie ci nienie Symetryczna struktura transmembranowe membran (<0,2 MPa) Symetryczna struktura Grubo warstwy separuj cej 10 membran – 150 m Mechanizm separacji – Grubo warstwy separuj cej Sitowy 10 – 150 m Nanofiltracja Nanofiltracja Separacja substancji Separacja jonówjonów Separacja wielkocz steczkowych i wielowarto ciowych oraz oraz wielowarto ciowych Separacja substancji wielkocz steczkowych i zwi zków organicznych o koloidalnych ( np. bakterie ) M>300 koloidalnych ( np. bakterie ) Ci nienie osmotyczne – na pomin Cimonienie osmotyczne – transmembranowe ci nienie (0,1Niskie – 1,0 MPa) Asymetryczna struktura transmembranowe warstwy separuj cej Asymetryczna ( naskórkowej )struktura 0,1 –membran 1,0 m substancji małocz Separacja steczkowych małsole ocz ) steczkowych ( np. np. sole ) Wysokie ci (nienie M>300 Ci nienie osmotyczne – osmotyczne Ci nienie osmotyczne – Wysokie ci nienie osmotyczne ( ok. 0,5 – 2,5 MPa ) odgrywa rol odgrywa rol ( ok. – 2,5 MPa ) Wysokie ci 0,5 nienie Ci nienie transmembranowe transmembranowe (0,5 – 2,0 MPa) Wysokie ci nienie Ci nienie transmembranowe ( 1,0 – 6,0 MPa ) (0,5 – 2,0 MPa) Asymetryczna struktura Asymetryczna struktura membran membran (0,1 – 1,0 MPa) Grubo Separacja substancji zwi zków organicznych o Niskie ci nienie mo na pomin Odwrócona osmozaosmoza Odwrócona Grubo warstwy separuj cej (Asymetryczna naskórkowej ) struktura transmembranowe ( 1,0 – 6,0 MPa ) membrany Grubo membran 0,1 – 1,0 m warstwy separuj cej Asymetryczna struktura ( naskórkowej ) membrany 0,1 – 1,0 m oparty Grubo warstwy separuj cej Mechanizm Grubo separacji warstwy separuj cejMechanizm Gruboseparacji warstwy separuj cej Mechanizm separacji – oparty ( Sitowy naskórkowej ) na rozpuszczaniu i dyfuzji ) ( naskórkowej ( naskórkowej na rozpuszczaniu i dyfuzji ) 0,1 – 1,0 m 0,1 – 1,0 m 0,1 – 1,0 m Mechanizm separacji – Mechanizm separacji – Mechanizm separacji oparty Mechanizm separacji oparty na Sitowy Sitowy na rozpuszczaniu i dyfuzji rozpuszczaniu i dyfuzji ∆p MPa 100 10 Odwrócona osmoza Nanofiltracja 1 Ultrafiltracja Mikrofiltracja 0,1 0,01 0,0001 Filtracja 0,001 0,01 0,1 1 Ci nieniowe procesy membranowe 10 100 rednica µm 3. Odwrócona osmoza — zjawisko — definicja — symbole Odwrócona osmoza (1) − błona półprzepuszczalna − równowaga dynamiczna − osmoza − roztwór soli c ( n·cm ) Odwrócona osmoza (1) − błona półprzepuszczalna − równowaga dynamiczna − osmoza − roztwór soli c ( n·cm ) Odwrócona osmoza (2) − osmoza − roztwór soli c ( n·cm ) Π − ci nienie osmotyczne Π = k·c − rozcie czenie roztworu soli Odwrócona osmoza (3) Π − ci nienie osmotyczne Π = k·c − rozcie czenie roztworu soli Π − odwrócona osmoza Odwrócona osmoza (4) Π − odwrócona osmoza >Π − odwrócona osmoza - zat enie roztworu soli Π 1. Π 2. Odwrócona Osmoza-OO/RO 1-2-3-4-5 >Π 4. 3. 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 (Qz, Cz) Permeat (Qp, Cp) Koncentrat (solanka) (Qs, Cs) Qz = Qp + Qs Qz· Cz = Qp · Cp + Qs · Cs 4. Charakterystyka ilo ciowa — współczynnik retencji (stopie zatrzymania, współczynnik eliminacji) Rs = Cz - Cp Cz (100 %) — stopie konwersji Y= Qp Qz (100%) — przepływ obj to ciowy Vr Iv = t ⋅Sm [m3/m2d] Iv L= ∆p [m3/m2dMPa] V – obj to t – czas S – powierzchnia L – przepływ hydrauliczny Iv – przepływ obj to ciowy 5. Przepływ obj to ciowy a selektywno — przepływ obj to ciowy wody I w = - A (∆P - ∆Π ) — przepływ substancji rozpuszczonej Is = - B∆C Π – ci nienie osmotyczne P – ci nienie robocze A, B = f (T, P, C, memb) C – st enie 6. Praktyka odwróconej osmozy — uproszczony schemat instalacji — membrany — fouling — moduły membranowe MEMBRANY SYNTETYCZNE CIEKŁE BIOLOGICZNE STAŁE ORGANICZNE NIEPOROWATE ASYMETRYCZNE KOMPOZYTOWE NIEORGANICZNE POROWATE SYMETRYCZNE ASYMETRYCZNE INWERSJA FAZ Klasyfikacja membran POROWATE SYMETRYCZNE ASYMETRYCZNE Membrana integralnie asymetryczna Membrana asymetrycznie zło ona Warstwa aktywna 1 µm Porowata warstwa nosna Membrany do odwróconej osmozy Producent Abcor DDS Dow Baza Polimerowa 2.5 –octan celulozy 2.5 –octan celulozy filtracji m3/(m2xd) Rurowa Płaska zatrzymania soli Ci nienie Zakres MPa pH % Maksymalna Temperatura 0 C 0.4 96.0 4.0 3–7 35 0.4 99.0 4.0 2-8 30 1.3 95.0 7.0 2–8 30 Włókna 0.03 98.7 5.6 4 – 7.5 35 celulozy kapilarne 0.2 97.0 2.8 6.8 35 Rurowa 0.5 98.0 4.0 3–6 30 Płaska 0.3 99.8 10.5 5–7 35 0.04 98.5 5.6 5–9 35 0.05 95.0 2.8 4 – 11 35 2.5 –octan Candy celulozy Du Pont Konfiguracja Stopie Trioctan Paterson Sartorius Szybko Trójoctan celulozy Aromatyczn y poliamid Włókna kapilarne B – 9, B – 10 >Π woda uzdatniana P ZZ koncentrat solanka(retentat) ZD membrana permeat (woda oczyszczona) Schemat filtracji powierzchniowej(cedzenie) Czynniki ograniczaj ce proces odwróconej osmozy czynniki ograniczaj ce uszkadzaj ce - kwasy - zasady - wolny chlor - wolny tlen - bakterie - rozpuszczalniki blokuj ce - foulnig - skaling zmniejszaj ce wydajno - ci nienie osmotyczne - lepko Membrana Octan celulozy Poliamid Membrany kompozytowe: FT 30 NTR 7250 PA 300, NTR 7197 Odporno 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 rodki czyszcz ce i warunki ich stosowania Substancje tworz ce rodek czyszcz cy warstw powierzchniow Kamie wapienny Warunki Roztwór 1 – 2 % procentowy Wodorotlenki metali Kwas cytrynowy Koloidy nieorganiczne pH 4 ustala si za pomoc N H4O H Roztwór 1 – 2 procentowy Kamie wapienny pH 7 EDTA ustala si za pomoc N H4O H lub NaOH Substancje organiczne Bakterie Bakterie Anionowy rodek powierzchniowo czynny, np. siarczan sodowo – laurylowy Formaldehyd Roztwór 0.1 – 1 procentowy pH 7 ustala si za pomoc H2 SO 4 lub NaOH Roztwór 0.1 – 1 procentowy Moduły membranowe Modułem membranowym jest zwarta jednostka konstrukcyjna, która posiada odpowiednio upakowane błony zapewniaj ce durz powierzchni 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 Moduły rurowe dw = 6 – 24 mm. Cechy charakterystyczne zasilanie wewn trz rury rura no na przepływ turbulentny Zalety niewra liwe na blokowanie mo liwo czyszczenia mały spadek ci nienia w module mała g sto Wady upakowania ( < 80 m2/m3 ) du e strumienie obj to ciowe zasilania w stosunku do powierzchni membrany niezb dne poł czenie z elementami zawracaj cymi przepływ (wzrost strat ci nienia) Moduły spiralne proste, tanie wytwarzanie Zalety stosunkowo du a g sto upakowania ( < 1000 m2/m3 ) dobra wymiana masy dzi ki odst pnikom w strumieniu zasilaj cym Wady długa droga przepływu permeatu złe mo liwo ci czyszczenia membrana musi si nadawa do zgrzewania lub sklejania Moduły kapilarne dw = 0.5 – 6 mm. Cechy charakterystyczne Zasilanie wewn trz rurek Samono ne Zalety Wi ksza g sto upakowania ni w modułach rurowych Ta sze wytwarzanie Wady Na ogół laminarny przepływ ( gorsza wymiana masy ) mała odporno na ci nienie Sposoby prowadzenia filtracji Statyczny Dynamiczny Zastosowanie technik membranowych Procesy membranowe Zastosowanie Odwrócona osmoza oczyszczanie roztworów wodnych, odsalanie, usuwanie metali ci kich Frakcjonowanie substancji rozpuszczonych w roztworach wodnych, usuwanie jonów dwuwarto ciowych, zmi kczanie wody, usuwanie małocz steczkowych zwi zków organicznych zat anie, frakcjonowanie i oczyszczanie makromolekularnych roztworów wodnych, usuwanie substancji koloidalnych i wielkocz steczkowych, oczyszczanie cieków emulsyjnych oddzielanie jonów z wodnych roztworów, odsalanie, usuwanie cyjanków, azotanów, metali ci kich oczyszczanie powietrza Nanofiltracja Ultrafiltracja Elektrodializa Perwaporacja Zastosowanie membran w uzdatnianiu wody Wielko Substancje ( m, Procesy MF UF NF RO kD) Chemicz ne +MF/UF W giel aktywny +MF/UF Pierwotniaki >10 ++ ++ ++ + ++ ++ Bakterie coli >10 ++ ++ ++ + ++ ++ M tno 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 obci enia surowa RO – I RO – I RO – II Zasilanie permeat zasilanie Woda 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 SO42- 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 5,8 111 40 8 8 0,8 CO2 8 79 78 2,0 2,0 Chlor 0 0,4 0 0 0 SiO2 31,7 32 6,1 6,2 0,035 331 335 21 23 1,5 Zasadowo Przewodno S/cm Zastosowanie membran do oczyszczania scieków Substancje MF UF NF RO ED D MD PV LM MC H1 H2 H3 Zawiesiny ++ ++ + + + ++ + Koloidy ++ ++ + + + ++ + Zwi zki org. + ++ + + + + + ++ ++ Wielkocz steczkowe Zwi zki org. Małocz steczkowe 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 usuni cie, ( + ) – usuni cie mo liwe. Inne zastosowania- odkwaszanie wody Woda +CO2 (+O2) 250um Najbardziej ekonomicznym sposobem obni enia TEA jest usuni cie CO2 Okazuje si e zmi kczanie i RO które stosowane s do oczyszczania wody przed EDI nie usuwaj CO2. Mo na tu zastosowa kontraktory membranowe Kontraktory membranowe -hydrofobowa membrana umo liwiaj ca ‘kontakt’ odkwaszanej wody i gazu np..powietrza, manipuluj c ci nieniem cz stkowym usuwanego z wody gazu, mo emy 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.
