Прямой осмос - Forward osmosis

Опреснение воды
Методы
Дистилляция Многоступенчатая флэш-дистилляция (MSF) Многоканальная дистилляция (MED) Компрессия пара (ВК) Ионный обмен Мембранные процессы Обратный электродиализ (EDR) Обратный осмос (РО) Нанофильтрация (NF) Мембранная дистилляция (MD) Прямой осмос (FO) Замораживание опреснения Геотермальное опреснение Солнечное опреснение Солнечное увлажнение –Осушение (HDH) Многофункциональное увлажнение (MEH) Теплица с морской водой Гидрат метана кристаллизация Высокий класс рециркуляция воды Опреснение с помощью волн

Осмотические мембранные процессы

Прямой осмос (FO) является осмотический процесс, который, как обратный осмос (RO), использует полупроницаемая мембрана оказывать влияние разделение из воды из растворенных веществ. Движущей силой этого разделения является осмотическое давление градиент, такой, что "рисовать" решение высокого концентрация (по сравнению с исходным раствором), используется для индуцирования чистого потока воды через мембрану в раствор для вытяжки, таким образом эффективно отделяя исходную воду от растворенных в ней веществ. Напротив, в процессе обратного осмоса используется гидравлический давление в качестве движущей силы для разделения, которая служит для противодействия градиенту осмотического давления, который в противном случае способствовал бы потоку воды из пермеата в сырье. Следовательно, для обратного осмоса требуется значительно больше энергии по сравнению с прямым осмосом.

Семейство процессов осмотической мембраны, включая обратный осмос и прямой осмос

Простейшее уравнение, описывающее связь между осмотическим и гидравлическим давлением и потоком воды (растворителя), выглядит следующим образом:

${\displaystyle J_{w}=A\left(\Delta \pi -\Delta P\right)}$

куда ${\displaystyle J_{w}}$ это вода поток, A - гидравлическая проницаемость мембраны, Δπ - это разница осмотических давлений на двух сторонах мембраны, а ΔP - разница в гидростатическое давление (отрицательные значения ${\displaystyle J_{w}}$ с указанием обратного осмотического потока). Моделирование этих зависимостей на практике более сложно, чем показывает это уравнение, с потоком, зависящим от мембраны, характеристик подачи и вытяжного раствора, а также от динамика жидкостей внутри самого процесса.^[1]

Поток растворенного вещества (${\displaystyle J_{s}}$) для каждого отдельного растворенного вещества можно смоделировать с помощью Закон Фика

${\displaystyle J_{s}=B\Delta c}$

Где ${\displaystyle B}$ - коэффициент проницаемости растворенного вещества и ${\displaystyle \Delta c}$ представляет собой разность трансмембранной концентрации растворенного вещества. Из этого управляющего уравнения ясно, что растворенное вещество будет диффундировать из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Это хорошо известно при обратном осмосе, когда растворенные вещества из питательной воды диффундируют в воду-продукт, однако в случае прямого осмоса ситуация может быть гораздо более сложной.

В процессах FO мы можем иметь диффузию растворенного вещества в обоих направлениях в зависимости от состава вытяжного раствора и исходной воды. Это делает две вещи; растворенные вещества раствора для вытяжки могут диффундировать в исходный раствор, а растворенные вещества исходного раствора могут диффундировать в раствор для вытяжки. Очевидно, что эти явления имеют последствия с точки зрения выбора решения для вытяжки для любого конкретного процесса FO. Например, потеря раствора для вытяжки может повлиять на исходный раствор, возможно, из-за проблем с окружающей средой или загрязнения потока сырья, например, в биореакторах с осмотической мембраной.

Дополнительное различие между процессами обратного осмоса (RO) и прямого осмоса (FO) заключается в том, что пермеатная вода, получаемая в результате процесса обратного осмоса, в большинстве случаев представляет собой пресную воду, готовую к использованию. В процессе FO дело обстоит иначе. Мембранное разделение процесса FO фактически приводит к «торговле» между растворенными веществами исходного раствора и вытяжного раствора. В зависимости от концентрации растворенных веществ в сырье (которая определяет необходимую концентрацию растворенных веществ в приборе) и предполагаемого использования продукта процесса FO, этот этап может быть всем, что требуется.

Процесс прямого осмоса также известен как осмос, или в случае ряда компаний, которые придумали свою собственную терминологию «инженерный осмос» и «управляемый осмос».

Приложения

Экстренные напитки

Мешок для гидратации перед использованием

Один из примеров применения этого типа может быть найден в «мешках для гидратации», в которых используется растворенное вещество, пригодное для проглатывания, и которые предназначены для отделения воды от разбавлять кормит. Это позволяет, например, попадать внутрь воды из поверхностных вод (ручьи, пруды, лужи и т. Д.), Которые, как ожидается, будут содержать патогены или же токсины которые легко отбрасываются ОС-мембраной. При достаточном времени контакта такая вода будет проникать через мембранный мешок в раствор для вытяжки, оставляя нежелательные составляющие сырья. Разбавленный раствор для вытяжки можно сразу проглотить. Обычно растворенные вещества при вытяжке представляют собой сахара, такие как глюкоза или же фруктоза, которые обеспечивают дополнительное питание для пользователя устройства FO. Дополнительный интерес к таким пакетам заключается в том, что их можно легко использовать для вторичной переработки. моча, что значительно расширяет возможности туриста или солдата выживать в засушливых условиях.^[2] В принципе, этот процесс также можно использовать с источниками питательной воды с высокой концентрацией соленой соли, такими как морская вода, поскольку одним из первых предполагаемых применений FO с поглощаемыми растворенными веществами было выживание на спасательных плотах в море.^[3]

Опреснение

Контейнерная установка опреснения прямым осмосом Modern Water в Эль-Халуфе, Оман

Опресненную воду можно получить из разбавленного раствора вытяжного / осмотического агента, используя второй процесс. Это может быть мембранное разделение, термический метод, физическое разделение или комбинация этих процессов. Процесс имеет свойство изначально низкой обрастание из-за первого этапа прямого осмоса, в отличие от обычных опреснительных установок обратного осмоса, где загрязнение часто является проблемой. Современная вода развернула опреснительные установки на основе прямого осмоса в Гибралтаре и Омане.^[4][5][6]В марте 2010 г. Национальная география^[7] Журнал назвал прямой осмос одной из трех технологий, обещающих снизить энергетические потребности опреснения.

Испарительная градирня - подпиточная вода

Простая схема прямого осмоса для производства подпиточной воды для испарительного охлаждения

Еще одно разработанное приложение, в котором используется только этап прямого осмоса, - это подпиточная вода с испарительным охлаждением. В этом случае охлаждающая вода представляет собой вытяжной раствор, а вода, теряемая при испарении, просто заменяется водой, полученной прямым осмосом из подходящего источника, такого как морская вода, солоноватая вода, очищенные сточные воды или промышленные сточные воды. Таким образом, по сравнению с другими "опреснение ’Процессы, которые могут быть использованы для подпиточной воды, потребление энергии составляет лишь небольшую часть от них с дополнительным преимуществом низкой склонности к загрязнению процесса прямого осмоса.^[8][9][10]

Обработка фильтрата полигонов

В случае, когда желаемым продуктом является пресная вода, не содержащая растворенных веществ при вытяжке, требуется вторая стадия разделения. Первый этап разделения FO, управляемый градиентом осмотического давления, не требует значительных затрат энергии (только перемешивание без давления или перекачивание соответствующих растворов). Однако второй этап разделения обычно требует ввода энергии. Один из методов, используемых на втором этапе разделения, - это использование обратного осмоса. Этот подход использовался, например, при лечении свалка фильтрат. Мембранное разделение FO используется для перекачки воды из исходных продуктов выщелачивания в солевой раствор (NaCl). Разбавленный рассол затем проходит через процесс обратного осмоса для получения пресной воды и концентрата рассола многоразового использования. Преимущество этого метода заключается не в экономии энергии, а в том, что процесс FO более устойчив к обрастание от фильтрата, чем только процесс обратного осмоса.^[11] Аналогичный гибрид FO / RO использовался для концентрация пищевых продуктов, таких как фруктовый сок.^[12]

Концентрация рассола

Пилотная система Oasys FO

Рассол Концентрация с использованием прямого осмоса может быть достигнута с помощью вытяжного раствора с высоким осмотическим давлением со средствами для его восстановления и регенерации. В одном из таких процессов используется аммиак-диоксид углерода (NH₃/ CO₂) процесс прямого осмоса изобретен в Йельский университет^[13][14] Роба МакГинниса, который впоследствии основал Вода Oasys коммерциализировать технологию.^[15][16] Поскольку аммиак и диоксид углерода легко диссоциируют на газы с использованием тепла, растворенные вещества при вытяжке можно эффективно извлекать и повторно использовать в системе с замкнутым контуром, достигая разделения за счет преобразования тепловой энергии в осмотическое давление. NH₃/ CO₂ Концентрация рассола FO первоначально была продемонстрирована в нефтегазовой промышленности для очистки попутной воды в районе Пермского бассейна в Техасе, а в настоящее время используется на энергетических и производственных предприятиях в Китае.^[17][18]

«Умягчение» / предварительная обработка исходной воды для термического опреснения

Предварительная очистка питательной воды на основе прямого осмоса для многоступенчатой ​​мгновенной дистилляции

Одно неэксплуатируемое приложение^[19] заключается в «умягчении» или предварительной обработке питательной воды до многоступенчатая вспышка (MSF) или многоступенчатая дистилляция (MED) путем осмотического разбавления рециркулирующего рассола охлаждающей водой. Это снижает концентрацию накипи, образующей карбонат кальция и сульфат кальция, по сравнению с обычным процессом, что позволяет увеличить верхнюю температуру рассола (TBT), производительность и коэффициент увеличения производительности (GOR). Дарвиш и др.^[20] показали, что TBT может быть увеличен с 110 ° C до 135 ° C при сохранении того же индекса масштабирования для сульфата кальция.

Осмотическая сила

Простая схема выработки электроэнергии PRO

В 1954 году Паттл^[21] предположил, что существует неиспользованный источник энергии, когда река сливается с морем, с точки зрения потерянного осмотического давления, однако лишь в середине 70-х годов Леб был найден практический метод его использования с использованием избирательно проницаемых мембран. ^[22] и независимо от Еллинека^[23] был намечен. Этот процесс был назван Лебом осмосом с задержкой под давлением (PRO), и одна упрощенная реализация показана напротив. В некоторых ситуациях, которые могут быть предусмотрены для его использования, используется дифференциальное осмотическое давление между низкой солоноватой рекой, впадающей в море, или рассолом и морской водой. Мировой теоретический потенциал осмотической мощности оценивается в 1 650 ТВтч / год.^[24]

Опытная установка Statkraft PRO

В последнее время значительный объем исследований и разработок был проведен и профинансирован Statkraft, норвежской государственной энергетической компанией. Опытный образец завода был построен в Норвегии с валовой мощностью от 2 до 4 кВт; видеть Прототип осмотической мощности Statkraft в Hurum. Рассматривалась установка гораздо более крупной электростанции мощностью 1-2 МВт в Сунндалсёре, в 400 км к северу от Осло.^[25] но впоследствии был исключен.^[26] Организация по развитию новой энергии и промышленных технологий (NEDO) в Японии финансирует работы по осмотической энергии.^[27]

Промышленное использование^[28]

Преимущества

Прямой осмос (FO) имеет много положительных аспектов при очистке промышленных сточных вод, содержащих много различных загрязняющих веществ, а также при очистке соленых вод. Когда эти вытяжные потоки содержат от умеренных до низких концентраций удаляемых агентов, мембраны из FO действительно эффективны и обладают гибкостью, позволяющей адаптировать мембрану в зависимости от желаемого качества получаемой воды. Системы FO также действительно полезны при использовании их в сочетании с другими видами систем очистки, поскольку они компенсируют недостатки, которые могут иметь другие системы. Это также полезно в процессах, в которых восстановление определенного продукта важно для минимизации затрат или повышения эффективности, таких как процессы производства биогаза.

Недостатки

Основным недостатком процессов FO является высокий фактор загрязнения, с которым они могут столкнуться. Это происходит при очистке сточных вод с высоким содержанием насыщения, в результате чего мембрана забивается и перестает выполнять свою функцию. Это означает, что необходимо остановить процесс и очистить мембрану. Эта проблема возникает реже при других видах обработки мембран, поскольку они имеют искусственное давление, вынуждающее проникнуть через мембрану, что снижает эффект загрязнения. Также существует проблема с еще не разработанной мембранной технологией. Это влияет на процессы FO, поскольку используемые мембраны дороги, не очень эффективны или не идеальны для желаемой функции. Это означает, что во много раз используются другие более дешевые и простые системы, а не мембраны.

Промышленный рынок и будущее

В настоящее время в отрасли используется несколько процессов с использованием волоконно-оптических мембран (и мембранных технологий в целом), поскольку это сложные процессы, которые также дороги и требуют большого количества процедур очистки и которые иногда работают только в определенных условиях, которые в промышленности не всегда можно обеспечить. По этой причине основное внимание в будущем в мембранах уделяется совершенствованию технологии, чтобы она стала более гибкой и подходящей для общего промышленного использования. Это будет достигаться за счет инвестиций в исследования и постепенного вывода этих разработок на рынок, чтобы стоимость производства снижалась по мере производства большего количества мембран. Придерживаясь текущих разработок, можно гарантировать, что через несколько лет мембраны будут распространяться. используется во многих различных промышленных процессах (не только для водоподготовки), и что появится много областей, в которых можно будет использовать процессы с оптоволоконным волокном.

Исследование

Область текущих исследований в FO включает прямое удаление растворенных веществ, в данном случае с помощью магнитного поля. Небольшие (наноразмерные) магнитные частицы суспендированы в растворе, создавая осмотическое давление, достаточное для отделения воды от разбавленного сырья. После того, как раствор для вытяжки, содержащий эти частицы, был разбавлен потоком воды FO, они могут быть отделены от этого раствора с помощью магнита (либо на стороне гидратационного мешка, либо вокруг трубы на линии в установившемся процессе. ).

Рекомендации

1. Ли, К. (1981). «Мембраны для выработки электроэнергии методом обратного осмоса». Журнал мембрановедения. 8 (2): 141–171. Дои:10.1016 / S0376-7388 (00) 82088-8.
2. Солтер, Р.Дж. (2005). «Прямой осмос» (PDF). Водоподготовка и очистка. 48 (4): 36–38. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-28.
3. Kessler, J.O .; Муди, К. (1976). «Питьевая вода из морской воды методом прямого осмоса». Опреснение. 18 (3): 297–306. Дои:10.1016 / S0011-9164 (00) 84119-3.
4. «Завод ФО завершил год эксплуатации» (PDF). Отчет об опреснении воды: 2–3. 15 ноя 2010. Получено 28 мая 2011.
5. «Современные водопроводные краны востребованы на Ближнем Востоке». Независимый. 23 ноября 2009 г.
6. Томпсон Н.А .; Николл П.Г. (Сентябрь 2011 г.). Опреснение прямым осмосом: коммерческая реальность (PDF). Международная ассоциация опреснителей.
7. "Большая идея". Национальная география. Март 2010 г.. Получено 14 июн 2013.
8. П. Николл Манипулируемый осмос - альтернатива обратному осмосу? Climate Control Middle East, апрель 2011 г., стр. 46–49.
9. Nicoll P.G .; Томпсон Н.А .; Бедфорд М.Р. (сентябрь 2011 г.). Управляемый осмос, применяемый к подпиточной воде с испарительным охлаждением - революционная технология (PDF). Международная ассоциация опреснителей.
10. Питер Николл; Нил Томпсон; Виктория Грей (февраль 2012 г.). Прямой осмос для подпиточной воды с испарительным охлаждением (PDF). Институт технологии охлаждения.
11. Р. Дж. Йорк, Р. С. Тиль и Э. Г. Бодри, Полномасштабный опыт прямого осмоса, применяемого для управления фильтратами, Сардиния '99, Седьмой международный симпозиум по обращению с отходами и захоронениям, С. Маргарита ди Пула, Кальяри, Сардиния, Италия, 1999
12. Э. Г. Бодри; К. А. Лампи (1990). «Мембранная технология концентрирования фруктовых соков прямым осмосом». Пищевые технологии. 44: 121.
13. McCutcheon, Jeffrey R .; МакГиннис, Роберт Л .; Элимелех, Менахем (2005). «Новый процесс прямого (прямого) осмоса опреснения аммиака и диоксида углерода» (PDF). Опреснение. 174: 1–11. Дои:10.1016 / j.desal.2004.11.002. Архивировано из оригинал (PDF) на 17 мая 2006 г.
14. Патент США 7560029, Роберт МакГиннис, "Процесс осмотического опреснения", опубликовано 14 июля 2009 г. 
15. Панагопулос, Аргирис; Хараламбус, Кэтрин-Джоанн; Лоизиду, Мария (2019-11-25). «Методы утилизации и технологии очистки опресненных рассолов - Обзор». Наука об окружающей среде в целом. 693: 133545. Bibcode:2019СтЭн.693м3545П. Дои:10.1016 / j.scitotenv.2019.07.351. ISSN  0048-9697. PMID  31374511.
16. Мы решаем вопрос X: Роб Макгиннис о глобальной нехватке воды, получено 2020-01-23
17. Отчет об опреснении воды, «ФО технологические концентраты нефтепромысловые рассолы» В архиве 2014-04-13 в Wayback Machine. Опубликовано 8 октября 2012 г.
18. "StackPath". www.waterworld.com. Получено 2020-01-23.
19. Патент EP 2493815, Питер Николл, «Термальное опреснение», опубликовано 25 сентября 2013 г. 
20. Мохаммед Дарвиш; Ашраф Хасан; Абдель Насер Мабрук; Хасан Абдулрахим; Адель Шариф (10 июля 2015 г.). «Возможность интеграции прямого осмоса (FO) в качестве предварительной обработки для существующей опреснительной установки». Опреснение и очистка воды. Дои:10.1080/19443994.2015.1066270.
21. R.E. Паттл (2 октября 1954 г.). «Производство электроэнергии путем смешивания пресной и соленой воды в гидроэлектростанции». Природа. 174 (4431): 660. Bibcode:1954Натура.174..660П. Дои:10.1038 / 174660a0. S2CID  4144672.
22. С. Леб (22 августа 1975 г.). «Осмотические электростанции». Наука. 189 (4203): 654–655. Bibcode:1975Научный ... 189..654L. Дои:10.1126 / science.189.4203.654. PMID  17838753.
23. H.H.G. Еллинек (1975). «Осмотическая работа I. Производство энергии от осмоса в системах пресной / соленой воды». Кагаку Кодзё. 19.
24. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. Scramesto; С.-Э. Skillhagen; W.K. Нильсен (27–30 июля 2009 г.). «Производство энергии на основе осмотического давления» (PDF). Гидроэнергетика XVI. Архивировано из оригинал (PDF) 2 мая 2014 г.
25. «Statkraft рассматривает опытно-промышленную установку осмотической энергии в Сунндалсёре». Получено 1 мая 2014.
26. «Statkraft прекращает инвестиции в осмотическую энергию». Получено 1 мая 2014.
27. «Фокус на прямом осмосе, часть 2». Отчет об опреснении воды. 49 (15). 22 апреля 2013 г.
28. Сувайле, Вафа; Патхак, Ниренкумар; Шон, Хокьонг; Хилал, Нидал (1 июля 2020 г.). «Мембраны и процессы прямого осмоса: всесторонний обзор исследовательских тенденций и перспектив». Опреснение. 485: 21. Дои:10.1016 / j.desal.2020.114455.

дальнейшее чтение

• Кат, Т; Чилдресс, А; Элимелех, М. (2006). «Прямой осмос: принципы, применение и последние разработки» (PDF). Журнал мембрановедения. 281 (1–2): 70–87. Дои:10.1016 / j.memsci.2006.05.048. Архивировано из оригинал (PDF) 13 сентября 2006 г.
• Дюрансо, Стивен (июль 2012 г.). «Появление процессов прямого осмоса и осмотических процессов с замедленным давлением для очистки питьевой воды» (PDF). Журнал водных ресурсов Флориды: 32–36. Получено 14 июн 2013.
• Николл, Питер. «Прямой осмос - краткое введение». Вода сегодня. Получено 12 февраля 2020.