השוואת סרממים ופולימר ממברנס עבור יישומים לטווח ארוך לטיפול במים

מבוא טכנולוגיות לטיפול במים

סינון Membrane הפך אבן הפינה של טיפול במים מודרניים, המאפשר הסרת contaminants החל מ מוצקות וחיידקים מושעה כדי לפזר מלחים ומזהמים אורגניים.בין חומרי המרברה הרבים הזמינים, שתי משפחות שולטות הנוף התעשייתי והעירוני ארוך טווח: מלמברנס קרמיקה וממבריונים פולימרים.

מאמר זה מספק השוואה מקיפה, טכנית מפורטת של קרום קרמיקה ופולימרים במיוחד לטיפול במים ארוכי טווח.זה בוחן את המאפיינים החומריים הבסיסיים, התנהגות מפרה, התחדשות, דרישות אנרגיה, הון ועלויות תפעוליות, ונתונים אמיתיים ביצועים בעולם האמיתי הוא לצייד מהנדסים, מנהלי צמח, ומקבלי החלטות עם המידע הדרוש כדי לבחור את המריחים ביותר ועלות membrane עבור מטרותיהם הכימיות.

Ceramic Membranes: מדעי החומרים וביצועים לטווח ארוך

(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ייצור ויתרונות מבניים

תהליך הייצור כרוך extruding או לחיצה על אבקת קרמיקה לתוך גיאומטריה דבש או צ'קוזי, ואחריו חלוף זמן גבוה מחטא 1200-1,800 מעלות צלזיוס. זה תוצאות במברה עם כוח מכני יוצא דופן ויציבות תרמית עד 800 מעלות צלזיוס. תצורת זרימת זרימת זרימת הדם מצמצם את הקיטוב של ריכוז, ואת המבנה נוקשה לעמוד בלחץ גבוה בחזרה ללא עיוות.

הידרופיליות הפנימיות של תחמוצות קרמיקה נותן להם התנגדות טבעית למזעור אורגני. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ⁇ ⁇ מגע מים על קרום אלומיניום רבים הדורשים שינויים הידרופילימיים.

תוחלת החיים וההתנגדות הכימית

קרומברנס Ceramic ידוע עבור חיי שירות ארוכים במיוחד, לעתים קרובות מעל 10-15 שנים בפעולה רציפה, בהשוואה ל 3-7 שנים עבור מקבילות פולימר.

• (FLT:0Chemical Inertness:FLT:1) עמיד בפני כלור, אוזון, חומצות (pH 1–14), וחמצן חזק.זה מאפשר פרוטוקולים ניקוי אגרסיביים באמצעות hypochlorite נתרן, מימן peroxide, חומצה חנקית, או סודה סיבתית ללא דהור.
• (FLT:0) יציבותו הירומית: 1FLT יכול להיות מוקרן קיטור או מופעל בטמפרטורות גבוהות עד 90-120 מעלות צלזיוס, אשר בלתי אפשרי עבור רוב המרמברנות פולימרנית.
• (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ ⁇ : 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שליטה וניקוי מחדש

יתרון תפעולי העיקרי הוא היכולת להפוך רעם חמור באמצעות ניקוי כימי אגרסיבי ו scrupping מכני. Ceramic membranes ניתן לנקות עם ריכוזים גבוהים של חומצה וכלור (עד כמה מאות pm), ויכול לסבול מחזורי שטיפת גב חוזרים חוזרים חוזרים חוזרים עם תדרים של 5-30 דקות. מחקרים רבים מראים כי קרום קרמיקה מחלים > 95% של השטף הראשוני שלהם לאחר מספר רב של מחזורים (C) דומה עם ירידה של כימיקלים ניגודים.

הנטייה השגויה הנמוכה גם מפחיתה את צריכת האנרגיה מכיוון שפחות תכופים ומהירויות של זרימה נמוכות יותר נדרשים. במבצע לטווח ארוך, הביקוש לאנרגיה הספציפית עבור מערכות אולטרה-חדירה קרמיקה הוא לעתים קרובות 0.2 עד0.5 קילוואט / m3, דומה או מעט נמוך יותר מאשר מערכות UF כאשר עבירה נשלטת.

מגבלות של קרומברנס

החסמים העיקריים לאימוץ נרחב הם עלות הון ראשונית גבוהה (3-10 פעמים גבוה יותר מאשר חלופות פולימרים המבוססות על אזור membrane) ומשקל מערכת גדול יותר.מודול membrane קרמיקה טיפוסי יכול לשקול 50-100 ק"ג לרכיב, הדורש מבנים תומכים חזקים וציוד טיפול מיוחד.בנוסף, מונוליטי או ג'קוזילימי לעתים קרובות לגרום לתנודות השקעה נמוכות יותר, כלומר טביעת רגל גדולה יותר עבור אותו אזור זהה נוטה יותר מאשר יישומים כימיים רבים יותר, לעומת קיבולת גבוהה יותר.

Polymer Membranes: גמישות, עלויות, ויישומים לחם

membranes פולימרים אורגניים כגון פוליאתרסלון (PES), פוליווינילידי פלואוריד (PVDF), פולימיד (PA), פוליסולון (PSf), ו acetate cellulose (CA) חומרים אלה הם extruded או לוהקים לסרטים דקים ( & #76;100-300m) עם שכבת עור סלקטיבית, ולאחר מכן נוצר לתוך נפח שטוח, הוא נמוך יותר, או מסולק, הוא ייצור קרמיקה, הוא קבוע, הוא נמוך יותר, או מסולק, הוא קבוע, או מסולק, הוא קנה מידה, 000, הוא נמוך יותר, 000, 000, 000.

סוגי קרום וטווח הפרדה

טכנולוגיית פולימר מכסה את כל קשת של סינון מונע לחץ:

• (FLT:0Microfiltration (MF): ההרחבה 1 (ה- 10-10 μm) מסירת טורדות, פרוזוצה וחיידקים - בשימוש בדרך כלל בטיפול במים.
• (FLT:0)Ultrafiltration (UF): 0.01-0.1 μm - מסיר וירוסים, קולונואידים, חלבונים גדולים - פרוסים נרחב פסולת מים reuse ו- RO preטיפולment.
• (ב) [15] ,Nanofiltration (NF): אנדרל 1) קיצוץ משקל מולקולרי 200-1,000 ד - מסירים דיפרון, קשיחות וחומרי הדברה.
• (ב) ⁇ :0) דיסמוזוזיס הפוכה (RO): LT:1 לא ⁇ - מסיר כמעט את כל הטיפים וממס מוצקים - תקן של פלנציה ומים גבוהים.

אין קרום קרמיקה המתחרה כיום בטווח RO או NF צפוף; קרום קרמיקה מוגבלים ל-MF וגודלי UF. זה הופך את membranes חיוני עבור יישומים הדורשים הסרת מלח או דחייה אורגנית ברמה המולקולרית.

יתרונות בתקנה ו-Refitting

membranes פולימר הם קל משקל, גמיש, ומגיע מודולים סטנדרטיים המאפשרים רטרוטובינג קלה לתוך כלי לחץ קיים. אלמנטים Spiral-wound לשקול 10-30 ק"ג ויכול להיות מטופלים על ידי טכנאי יחיד.הסימטריה סיבית (שימושית עבור UF) מספק צפיפות אריזה גבוהה (עד 3,000 m2 /m3), מצמצם את תכונות המערכת האלה להפוך membranes עבור ברירת המחדל גדול של מתקנים שטח.

התחרותיות והשוק

עלות ההון של מערכות מלמברנה פולימר היא נמוכה משמעותית.עבור UF / קרן המטבע, העלות של החלפת membrane היא בדרך כלל 10-30 $ למ"ר, בעוד קרמיקה יכולה להיות 100-400 $ למטר רבוע.זה יתרון, בשילוב עם ייצור המוני ושרשרת אספקה מבוססת היטב, כלומר כי פולימרנות פולימרנות חשבון עבור מעל 90% של שוק קרום עולמי בטיפול במים.

הגבלות על החיים והמגבלות

החולשה הגדולה ביותר של מלמבריות פולימר היא הרגישות שלהם לזייף והשפלה לאורך זמן. פולימרים אורגניים כפופים הידרוליזה, התקפה chlorine (במיוחד פולימידה RO membranes), ועיוות תרמי.גבול התפעולי הם בדרך כלל pH 2-12, טמפרטורה וlt; 45-50 מעלות צלזיוס, ו- כלור חינם <0.1m עבור פולימיד.

הנפיחות מואצת על ידי אינטראקציות הידרופוביות, מה שהופך את membranes פולימר יותר נוטה למודעות בלתי הפיכות של חומר אורגני טבעי (NOM), שמנים וביו-סרטונים. לאחר שכבת מחוספסת, ניקוי הופך פחות יעיל, וירידה של פלוקס הופכת קבוע, כך תוחלת חיים טיפוסית עבור פולימרן UF / קרן הם 3-7 שנים, בעוד שלעתים קרובות מיוצר לי שמן פליטה 2.

ניתוח השוואתי ליישומים ארוכי טווח

כאשר בוחנים את המרבטונים לפרויקטים שנועדו לפעול 10-20 שנים, ההשוואה הישירה חייבת לעבור מעבר לעלויות הראשוניות למטר רבוע.הגורמים הבאים הם קריטיים:

עלויות מחזור חיים (LCC) מודל

מספר מחקרים שבחנו עמיתים השוו את העלות הכוללת של בעלות על קרמיקה ופולימר פולימר UF מעל אופק של 20 שנה.עבור מי מזון מאתגרים כגון מים תת-קרקעיים או גבוהים, קרומברנס קרמיקה יכול להשיג LCC נמוך יותר למרות עלויות הון גבוהות יותר בגלל:

• פחות החלפת membrane (אולי תחליף אחד של הבנק הקרמיקה לעומת 3-6 החלפתם של מודולים פולימרים במשך 20 שנה).
• צריכת כימיקלים מופחתת לניקוי - ניקוי אגרסיבי יעיל עם קרמיקה, בעוד ניקוי פולימר מוגבל על ידי סובלנות כימית.
• צריכת אנרגיה נמוכה יותר בשל שטף עקבי ללא רעד חמור.
• עבודה מופחתת וירידה הקשורים לשינוי קרום.

עבור מזון נמוך-מזין מים (למשל, מי קרקע עם NOM נמוך), פולימר פולימר LCC נשאר נוח בשל עיכוב ההון הנמוך שלה בחיים האמיתיים יותר (לעתים קרובות 7-10 שנים עבור PVDF מתוכנן היטב), מקבלי ההחלטות צריכים תמיד לבצע ניתוח ספציפי לאתר LCC ולא להסתמך על כללים כלליים.

אחריות ויציבות Flux

פולימר טרי UF membranes בדרך כלל להציג עמידות מים טהורים יותר (500-1,000 L / m2hbar) בהשוואה לקרמיקה (200-500 L/m2-m2-hbar) עם זאת, בטיפול במים אמיתיים, שפעת ההפעלה מוגבלת על ידי התנגדות רעועה. Ceramic membranes לעתים קרובות יכול לשמור על נוזל יציב ברמות גבוהות יותר כי ניקוי כמעט מלא ביצועים פולימר יכול לעתים קרובות לייצב עם מחזור חום (R) עם מחזור חום כפול של 10 גרם תחזוקה אלקטרוגרם) עם ירידה כימית אפילו יותר של שפעת.

תאימות כימית ניקוי יעילות

מזכר קרמיקה ניתן לנקות עם 2% חמים NOH + 2,000 ppm NaOCl פתרון, ואחריו חומצה כביסה של 1% חומצה חנקית. שילוב זה מתמוסס עבירה אורגנית, ביופילים, ומדפי מינרלים. polymer membranes מוגבל לנקינים קלים יותר (למשל, 0.1% Na + 200m NaCl) ולא יכול להיות מחומם.

צריכת אנרגיה וקיימות

מערכות קרמיקה מודרניות משתמשות במהירויות של 1–3 מ'/s ופועלות בלחץ trans-mbrane (TMP) של 0.5-2 בר, הניבות אנרגיה מסוימת של 0.3-0.6 קילוואטh/m3. Polymer UF במודולים של פסולת מת או מצבי זרימה נמוכים יכולים להשיג 0.1-0.3h / m3 להזנת נקיים, אך הביקוש לאנרגיה גרועה ככל שעולה על פני כדור הארץ, בנוסף לחיסכון באנרגיה תכופה, או לתקופה של אנרגיה ממושכת, או נמוכה יותר, עשויה להפחית את פני תקופה של אנרגיה מתחדשת, לאחר מכן, או יותר, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, או יותר, או יותר, כדי להפחית את מטרות אנרגיה מתחדשת, לאחר מכן, או אנרגיה מתחדשת, או אנרגיה מתחדשת, או ירידה של אנרגיה מתחדשת, או אנרגיה מתחדשת, או ירידה של אנרגיה גבוהה יותר, או ירידה של מערכות אנרגיה מתחדשת, לאחר מכן, לאחר מכן, או אנרגיה מתחדשת של מערכות אנרגיה מתחדשת, או ירידה של אנרגיה כפולה של מערכות אנרגיה מתחדשת של מערכות פסולת אנרגיה מתחדשת של מערכות אנרגיה נמוכה יותר, או אנרגיה גבוהה יותר, או אנרגיה גבוהה יותר, או אנרגיה מתחדשת, עבור מערכות אנרגיה גבוהה יותר, או אנרגיה מתחדשת, עשויה לצריכת אנרגיה מתחדשת, או אנרגיה מתחדשת

מפתחי מפתח לבחירה טכנולוגית

רשימת הסימון הבאה מסכם את הרכישות ליישומים ארוכי טווח:

• (FLT:0) איכות המים: FLT:1 רעד גבוה, שמן / גראס, או מוצקות חודרניות - לטובת קרמיקה.
• (ב) חשיפה:0Chemicalחשיפה: 1FLT:1 עתור גבוה, pH קיצוני או פותרים אורגניים קרמיקה היא חובה.
• (ב) נדרשה הטמפרטורה: 1 מ- 45 מעלות צלזיוס.
• (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) מגבלות חלל: אנדרט 1 (FLT:1) טביעת רגל מוגבלת (סיבים חמים) מנצח.
• תקציב:0 (החלי): 1FLT:1 מוגבל הון פולימר כברירת מחדל; אבל לשקול מחזור חיים.
• (ב) ⁇ :0) ⁇ /ההתמדה: ⁇ 1 (בסרט, מזון) דורש מזכרי קיטור-סטריליים (Creative membranes) קרמיקה.

מגמות מתפתחות וידויים היברידיים

ההתפתחויות האחרונות מטשטשות את הקווים בין טכנולוגיות קרמיקה ופולימרים (למשל, קרום קרמיקה עם ציפויים משטח של TiOveFLT:0203FLT:1 או oxideen משפר התנגדות מופרעת וניקוי עצמי קטליטי תחת אור UV (FLT:2see Journal of Membrane Science ReviewFLT:3).

חידוש נוסף הוא פיתוח של ננומטרה קרמיקה עם גדלים מתחת 1 nm, מיקוד הפרדה סלקטיבית של יון. בעוד עדיין נישה ועלויות גבוהות, אלה יכולים להתחרות עם פולימר NF ואפילו RO בזרמים מאתגרים (ראה FLT:0see Intech Open Chapter onקרמיקה NFOVAFLT:1).

הרתעה מעשית להטמעה

לפני בחירת סוג membrane, מהנדסים צריכים לערוך ניסויים טייס באמצעות מים להאכיל בפועל בתנאים נציג. Monitor ירידה פלוקס, מרווחי ניקוי, איכות מסמטת, ושלמות membrane במשך לפחות 3-6 חודשים. השתמש בנתונים הפיילוט כדי למקם מודל עלות מחזור חיים הכולל:

• עלות ההון של קרומברינס, כלי לחץ, משאבות, פישוט, ומבנה התמיכה.
• עלות האנרגיה השנתית (kW-h בהתבסס על עקומות משאבה בפועל).
• עלויות כימיות לניקוי (סוג, ריכוז, תדירות).
• עבודה עבור פעולות, תחזוקה, החלפת מודול.
• עלויות החלפת Membrane ותדירות צפויה (עם ערבויות ספקים).
• עלויות שעתון לניקוי ושינוי.

ספקיות כגון Metawater (ראה LT:0) ספקן של מנברן 1FLT ו- Pall Corporation (ראה FLT:2polymer ו קרמיקה ,FLT 3: 3) מציעות כלים עיצוב ומחקרי מקרה.

מסקנה

קרומבריות ופולימרניות כל אחד מביא תכונות משכנעות לטיפול במים ארוכי טווח. Ceramic membranes מצטיינים עמידות, עמידות כימית, שליטה מזיקה, מה שהופך אותם לבחירה העליונה ליישומים תעשייתיים תובעניים ומזונות עתירי מיקוד גבוהים שבהם פשטות תפעולית ומגבלות ארוכות טווח להצדיק את ההשקעה הראשונית.

על ידי הערכה שיטתית של גורמים אלה ומינוף נתוני טייס, אנשי מקצוע לטיפול במים יכולים ליישם מערכות membrane המספקות ביצועים אמינים, מינימום זמן השבתה, ואת העלות הכוללת הנמוכה ביותר לאורך כל האופק התפעולי.כפי שמדע החומרים מתקדם, הפער בין טכנולוגיות קרמיקה ופולימרים עשוי לצריח, אבל לעתיד הנראה לעין, שניהם יישארו כלים חיוניים ערכת טיפול במים.