Jak to działa: zasady filtracji i skład systemu membran ceramicznych do separacji wody olejowej

1. Po pierwsze rozwiń intuicję: nieporozumienie związane z „sitem”.

Wiele osób, widząc po raz pierwszy membrany ceramiczne do usuwania oleju, intuicyjnie myśli o nich jako o „sicie”-olej jest duży, woda jest mała, więc olej jest zatrzymywany, a woda przez nie przepływa. Ta analogia nie jest błędna, ale pomija najważniejszą połowę: w ściekach zaolejonych naprawdę trudno jest zatrzymać nie duże kropelki oleju, ale submikronowy zemulgowany olej stabilizowany środkami powierzchniowo czynnymi; tak naprawdę o sukcesie lub porażce decyduje nie to, „czy pory są wystarczająco małe”, ale „czy olej zabrudzi membranę, a po zabrudzeniu będzie można go oczyścić”. Aby jasno wyjaśnić, jakmembrany ceramiczne do separacji wody olejowejdziała, należy zacząć od podstawowej-filtracji-z przepływem krzyżowym.

2. Filtracja-z przepływem krzyżowym: nie „ślepy- zaułek”, ale „przepływ podczas szorowania”

Filtracja-z przepływem krzyżowym różni się całkowicie od filtracji-ślepej, stosowanej w domu do filtrowania mleka sojowego. Podczas filtracji-ślepej, ciecz zasilająca jest dociskana bezpośrednio do powierzchni membrany, a woda i olej uderzają w tym samym kierunku; olej szybko gromadzi się w bryłę na powierzchni membrany, a strumień spada-jak skała. W filtracji-z przepływem krzyżowym ciecz zasilająca przepływa „na boki” wzdłuż powierzchni membrany z dużą prędkością; woda jest napędzana ciśnieniem, aby przejść pionowo przez membranę i stać się przezroczystym permeatem, podczas gdy kropelki oleju i zanieczyszczenia są w sposób ciągły wymiatane przez tę siłę ścinającą równolegle do powierzchni membrany i odprowadzane wraz z koncentratem. Inaczej mówiąc, membrana nie „wychwytuje” biernie zanieczyszczeń; aktywnie „wypiera zanieczyszczenia”. Jest to szczególnie istotne w przypadku ścieków zaolejonych: gdy olej rozprzestrzeni się na powierzchni membrany, jest niezwykle trudny do usunięcia, a poprzeczne-ścinanie przepływu stanowi właśnie pierwszą linię obrony przed rozprzestrzenianiem się oleju. Z tego też powodu w oczyszczaniu ścieków zaolejonych prawie zawsze wykorzystuje się-przepływ poprzeczny, a nie ślepy-zaułek.

Rysunek: Typowy przebieg procesu w systemie separacji oleju-z membraną ceramiczną: surowa woda zaolejona dostaje się do modułu membrany po wstępnej obróbce; pod wpływem-przepływu poprzecznego ścinania klarowna ciecz przenika przez membranę, stając się wodą produktową, podczas gdy stężony olej i zanieczyszczenia są usuwane ze strony koncentratu, a system można podłączyć do dalszej odwróconej osmozy lub etapu oczyszczania biologicznego.

2.1 Polaryzacja koncentracji i strumień krytyczny

Filtracja-z przepływem krzyżowym wiąże się także z dwoma pojęciami, które należy zrozumieć; w przeciwnym razie wielu zjawisk polowych nie da się wyjaśnić. Pierwszą z nich jest polaryzacja stężeniowa: woda przepływa przez membranę, podczas gdy olej i zawieszone ciała stałe są zatrzymywane w pobliżu powierzchni membrany; im bliżej powierzchni membrany, tym wyższe stężenie, tworząc gradient stężeń. Ten gradient zwiększa opór przenikania i zmniejsza strumień, ale sam w sobie jest odwracalny; gdy poprzeczne-ścinanie przepływu rozrzedzi warstwę graniczną, strumień może powrócić do normy. Drugi to strumień krytyczny: istnieje próg strumienia, poniżej którego zanieczyszczenia gromadzą się powoli, a system pozostaje stabilny w dłuższej perspektywie; powyżej niego osadzanie się szybko nasila się i czyszczenie staje się częste. W inżynierii lepiej jest działać delikatnie poniżej strumienia krytycznego, niż dążyć do tymczasowego wysokiego strumienia. Te dwie koncepcje są kluczem do zrozumienia, „dlaczego membrany ceramiczne wymagają-przepływu krzyżowego” i „dlaczego nie można po prostu zwiększać ciśnienia”, a także wyjaśniają, dlaczego badania na skalę pilotażową są szczególnie ważne w przypadku systemów ścieków zaolejonych.

3. Mikrofiltracja i ultrafiltracja: w jakiej skali zatrzymuje się olej?

Zatem w jakiej skali membrany faktycznie zatrzymują olej? Sprowadza się to do podziału pracy pomiędzy mikrofiltracją (MF) i ultrafiltracją (UF). MF ma stosunkowo większe pory i zatrzymuje głównie zawieszone ciała stałe, duże kropelki oleju i część rozproszonego oleju; UF ma mniejsze pory, mieszczące się w zakresie wielkości kropelek zemulgowanego oleju i jest główną siłą zatrzymującą zemulgowany olej o wielkości submikronowej. Zakresy mikrofiltracji i ultrafiltracji powszechnie stosowane w membranach ceramicznych to właśnie nemezis „najdrobniejszej porcji oleju” w ściekach zaolejonych. Poniższa tabela przedstawia różnice jakościowe między nimi, co pomoże Ci w pierwszej kolejności określić, „w jakim stopniu olej zostanie zatrzymany” podczas selekcji.

3.1 Rozmiar porów nie jest im mniejszy, tym lepszy

Należy zauważyć, że wielkość porów nie jest im mniejsza, tym lepsza. Im gęstsza membrana, tym większy opór przenikania wody, tym większe zużycie energii i tym łatwiej jest ją zatykać poprzez mostkowanie drobnych zanieczyszczeń. W inżynierii zasada jest „w sam raz”: najpierw zastosuj obróbkę wstępną, aby usunąć duże cząstki i wolny olej, a następnie pozwól, aby ultrafiltracja ceramiczna skupiła się na najtrudniejszym zemulgowanym oleju, zamiast oczekiwać, że jedna membrana zrobi wszystko. Jest to również najbardziej podstawowa koncepcja „stopniowania” w projektowaniu systemu membran ceramicznych do oczyszczania ścieków zaolejonych.

4.Od pojedynczej membrany do kompletnego systemu

Skalowanie pojedynczej membrany do kompletnego systemu w rzeczywistości nie jest tajemnicze pod względem składu, ale każda część ma swoją specyfikę. Pierwsza część to moduł membranowy i element membranowy. Membrany ceramiczne występują przeważnie w postaci wielo-kanałowych elementów rurowych o strukturze plastra miodu; ciecz zasilająca przepływa kanałami, a woda przenika przez ściankę rury.-Ta konstrukcja jest odporna na zanieczyszczenia-i łatwa do czyszczenia, dzięki czemu szczególnie nadaje się do brudnej wody. Druga część to pompa zasilająca i pętla-przepływu krzyżowego, która zapewnia dwie rzeczy: transmembranową różnicę ciśnień niezbędną do przepchnięcia cieczy zasilającej przez membranę oraz prędkość ścinania wymaganą na powierzchni membrany; jeśli prędkość ścinania jest niewystarczająca, olej będzie przylegał do membrany. Trzecia część to zbiór strony czystej cieczy i strony koncentratu; klarowna ciecz trafia do ponownego wykorzystania lub do dalszych procesów, a zagęszczona woda jest odprowadzana wraz z olejem. Czwarta część to jednostka czyszcząca (CIP), która jest tajną bronią, która sprawia, że ​​membrany ceramiczne są „trwałe w użyciu”-. Może ona zmyć topnik kwasem i zasadą, zanim nagromadzą się zanieczyszczenia do tego stopnia, że ​​będą miały wpływ na działanie.

Na poziomie modułu membrany membrany ceramiczne składają się zwykle z wielo-kanałowych elementów rurowych lub monolitycznych o strukturze plastra miodu, a nie z płaskich arkuszy lub pustych w środku włókien. Zalety tej formy są proste: duża prędkość przepływu i silne ścinanie wewnątrz kanałów, dzięki czemu nadaje się szczególnie do brudnej wody; gdy na ściance rurki przylgnie kamień lub olej, można ją oczyścić w trybie online za pomocą mechanicznych kulek gąbczastych, czego nie potrafią membrany organiczne; chociaż gęstość upakowania nie jest tak wysoka jak w przypadku włókien pustych, w zamian uzyskuje się odporność na zatykanie, łatwość czyszczenia i długą żywotność. Dokonując wyboru, należy rozważyć strumień, zajmowaną powierzchnię i wygodę czyszczenia, a nie patrzeć tylko na jeden element. W przypadku „brudnych prac”, takich jak ścieki zaolejone, bardziej realistycznym wyborem są często rurowe lub wielokanałowe membrany ceramiczne.

Kontrola zanieczyszczeń jest codziennym głównym zadaniem całego systemu. Podczas normalnej pracy-przepływ poprzeczny zapewnia zapobieganie zanieczyszczeniom „w trybie online”; okresowo do płukania zwrotnego wykorzystuje się permeat w celu wypchnięcia płytkich zanieczyszczeń z powierzchni membrany, co pozwala uzyskać „krótko-terminowy odzysk”; gdy płukanie zwrotne nie może już powstrzymać spadku strumienia, aktywowane jest czyszczenie chemiczne (CIP), przy użyciu odpowiednich stężeń kwasu, zasady lub utleniacza w celu rozpuszczenia i usunięcia organicznego szlamu olejowego, kamienia i śluzu drobnoustrojów. Powodem, dla którego membrany ceramiczne ośmielają się stosować silne czyszczenie, jest to, że materiały nieorganiczne są wytrzymałe; gdyby membrany organiczne były czyszczone tak agresywnie, często ulegałyby uszkodzeniu przy każdym czyszczeniu. Z tego powodu nieodwracalne zanieczyszczenia gromadzą się powoli na membranach ceramicznych, krzywa spadku strumienia jest łagodna, a długoterminowa-przewidywalność operacyjna jest znacznie lepsza niż w przypadku membran organicznych-ma to ogromną wartość dla linii produkcyjnych, które wymagają stabilnej zgodności.

4.1 Strategia czyszczenia: CIP nie polega na „płukaniu w przypadku zabrudzenia”

Szczególnie jeśli chodzi o strategię czyszczenia, CIP nie jest tak zwyczajny, jak „przepłucz, gdy jest brudny”. Czyszczenie alkaliczne ma na celu usuwanie zanieczyszczeń olejami organicznymi i śluzu biologicznego, czyszczenie kwasem ma na celu usuwanie kamienia nieorganicznego, a utleniacze służą do zabijania mikroorganizmów i rozkładu części materii organicznej; kolejność, stężenie, temperatura, czas i prędkość przepływu cyrkulacyjnego wpływają na skuteczność odzyskiwania, a także na żywotność membrany. Rozsądnym podejściem jest utworzenie powiązanych rejestrów „czyszczenia-różnicy ciśnień- strumienia”: rutynowe monitorowanie trendów znormalizowanego strumienia i różnicy ciśnień przezbłonowych; gdy spadek osiągnie zadaną wartość względną, zaplanuj czyszczenie; a po czyszczeniu zapisz stopień odzysku, optymalizując w ten sposób częstotliwość i środki chemiczne. Przejście z czyszczenia „na dotyk” na „na podstawie danych” jest kluczem do zapewnienia długotrwałej użyteczności membran ceramicznych.

5. Klasyfikacja zanieczyszczeń i odpowiadające im „przepisy”

Jeśli chodzi o czyszczenie, nie da się uniknąć wielu rodzajów zanieczyszczeń, ponieważ różne zabrudzenia wymagają różnych „przepisów”. Według źródła można je z grubsza podzielić na trzy typy: zanieczyszczenia organiczne, głównie filmy olejowe, białka i metabolity drobnoustrojów, zwykle usuwane poprzez czyszczenie alkaliczne w połączeniu ze środkami powierzchniowo czynnymi; kamień nieorganiczny z wapnia, magnezu, krzemu itp. w wodzie, rozpuszczony przez czyszczenie kwasem; oraz śluz biologiczny powstający w wyniku proliferacji drobnoustrojów kontrolowanej przez utleniacze lub biocydy. W rzeczywistości te trzy elementy często współistnieją i przeplatają się, dlatego plan czyszczenia często opiera się na kombinacji i sekwencji „alkalicznego-kwasu-utleniacza”, a nie na pojedynczej substancji chemicznej. W przypadku ścieków zaolejonych głównym winowajcą są zanieczyszczenia organiczne, a podstawą jest czyszczenie alkaliczne; jeśli jednak twardość napływu jest wysoka, niezbędne jest również czyszczenie kwasem. Tylko poprzez jasną ocenę rodzaju zanieczyszczeń, a następnie omówienie czyszczenia, można zarówno dokładnie oczyścić, jak i uniknąć uszkodzenia membrany.-Właśnie na tym polega wartość odporności chemicznej materiałów na membrany ceramiczne i jest to również obszar, który najbardziej potrzebuje danych terenowych przy projektowaniu systemu czyszczącego.

Rysunek: Porównanie ocen jakościowych membran ceramicznych i polimerowych membran organicznych pod względem kluczowych wymiarów, takich jak odporność na zarastanie, odporność na temperaturę, odporność na czyszczenie chemiczne, żywotność i odzysk topnika (ilustracja względna, a nie konkretne wartości).

6. Jego pozycja w całej linii produkcyjnej: Strażnik obróbki wstępnej

Patrząc na system membranowy w całej linii produkcyjnej, jego pozycja jest zazwyczaj „strażnikiem obróbki wstępnej”. Wcześniejsze etapy obróbki wstępnej obejmują oddzielanie oleju, flotację powietrzną i zbiorniki wyrównawcze, odpowiedzialne za usuwanie w pierwszej kolejności większości wolnego oleju i ciężkich zawieszonych cząstek stałych, chroniąc membranę ceramiczną przed uszkodzeniem przez duże cząstki i natychmiastowym zaślepieniem przez nadmiar oleju. dalsze etapy obejmują zaawansowane oczyszczanie w celu ponownego wykorzystania-odwrócona osmoza obejmuje odsalanie, wymiana jonowa obejmuje zmiękczanie lub usuwanie określonych jonów, a etap biologiczny zajmuje się degradacją rozpuszczonej materii organicznej. Tylko wtedy, gdy membrany ceramiczne usuną olej do wystarczająco niskiego poziomu, dalsze części mogą pracować spokojnie: membrany RO nie zostaną zatkane olejem, żywice nie zostaną zatrute olejem, a zbiorniki biologiczne nie będą miały napowietrzenia zamkniętego filmem olejowym. Można powiedzieć, że jeśli utrzymana zostanie bariera z membraną ceramiczną, korzystna będzie również stabilność całego dalszego łańcucha ponownego wykorzystania.

Poniższa tabela podsumowuje kluczowe jednostki, funkcje i zagadnienia projektowe systemu separacji wody z membraną ceramiczną,-co ułatwia-weryfikację konfiguracji na miejscu.

W tym momencie logika działaniamembrany ceramiczne do separacji wody olejowejstaje się jasne: nie jest to izolowany „filtr”, ale miniaturowy system inżynieryjny „zapobiegania-zanieczyszczaniu z przepływem krzyżowym + etapowa retencja + oczyszczanie z możliwością odzyskania + koordynacja wcześniejszych i dalszych etapów”. Zrozumienie tego jest ważniejsze niż zapamiętywanie pojedynczego parametru,-ponieważ problemy pojawiające się w terenie w dziewięciu przypadkach na dziesięć wynikają z „koordynacji systemu”, a nie z „samej membrany”.

7. Metodologia operacyjna: Najpierw bilans wodny

Na poziomie operacyjnym w dalszym ciągu obowiązuje wielokrotnie sprawdzona metodologia: najpierw należy wykonać bilans wodny w celu wyjaśnienia objętości wody i przeznaczenia koncentratu; następnie sklasyfikować jakość wody, aby określić, która forma ropy naftowej dominuje i jaki próg jakości wody jest wymagany w dalszym biegu rzeki; na koniec oblicz okres zwrotu inwestycji i całkowity koszt posiadania, aby zdecydować o skali systemu i strategii czyszczenia. Tylko solidnie wykonując te trzy kroki, mechanizm „jak to działa” membran ceramicznych może naprawdę przełożyć się na stabilną, czystą wodę i możliwy do odzyskania olej na linii produkcyjnej.