膜技术发展现状与展望

流程工艺用水和污水处理中的膜技术应用

作者:Hans-Jürgen Bittermann 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:12 发布时间:2018-05-18
压力驱动的膜过滤技术已经成为今天水资源管理中的一个重要角色,并且变得越来越重要。随着膜材料生产成本的降低,处理能力的提高以及耗能的减少,膜技术的研发和应用已进入新领域。
膜技术发展现状与展望

2016年夏季,在德国曼海姆市,欧洲第一台装机容量为1.4 MW的燃料电池开始运行,这是能源巨头E.ON集团公司与Fuelcell能源公司合作的项目,其中的水处理设施由Friatec公司负责设计和制造。“在从甲烷(天然气)中释放出氢过程中,必须向燃料电池堆中注入大量的超纯水,我们的水处理设备致力于为燃料电池提供高品质的水,以确保发电和供热的顺利进行。” 负责工艺用水的大客户经理Magnus Häbel先生说道。

在防垢的分级反渗透后,利用渗透膜脱气去除了CO2,进行电渗析(EDI)后实现了水质软化。设备所有与流程工艺有关的重要参数,例如流量、压力和水质等都实现了在线检测,并将检测数据发送给客户的过程控制系统。水处理技术设备、储水容器和控制系统都在燃料电池旁的一个“集装箱”容器中,因为这一项目面临的另一个挑战就是可供使用的场地面积非常有限。

传统的膜过滤技术是当今绿色能源技术的基础。如今,膜技术在工艺过程用水、污水净化处理和连续性饮用水处理中已成为标准技术。膜技术的应用,使得燃料电池厂的发电过程更加环保和高效。

欧洲的第一台装机容量1.4 WM的燃料电池设备由Envirofalk公司设计和制造,并在德国曼海姆市投产运行

寻找新的膜材料

膜技术的应用范围相当广泛,而且已被证明是一种非常可靠的技术方法,但仍然有着研究和开发的需求,以下是两个目前正在着手进行的研究项目。

“水处理高性能超滤膜材料组合(MABMEM)”研究项目的重点是开发适合于水处理使用的高性能膜。项目由巴斯夫公司牵头,参与合作的有Inge公司、研究机构和自来水公司。项目的目标是:有着更高选择性、可变可调的分离性能、更好的渗透性、更高的化学和机械抗力,以及分离特定物质及微量元素功能的膜材料。

“管膜渗透”研究项目的目标是耐酸性反渗透管膜组件的生产和测试,这种反渗透膜组件用于含有颗粒物的过程用水处理、反渗透膜组件的生产采用新的涂层工艺技术,生产定制的聚合物分界层。这一分界层既可以是一层一层生成的,也可以是作为一个界面聚合反应而生成。不同长度、不同电荷的聚电解质的使用对反渗透膜的分离将产生决定性的影响。这一研发项目将使得工业化水处理系统能够在一个反渗透工艺过程中分离出几乎不含离子成分的渗透物。

污水处理的多种膜技术

印度一家特种化学品生产厂的污水净化处理厂打算利用超滤技术预处理其有着很高含盐量和有机物负荷的污水,然后进行RO反渗透膜组件脱盐。脱盐后的水再用混床(朗盛公司的Lewatit Monoplus S108H均球型阴离子交换树脂和MonoPlus M800强碱凝胶阴离子交换树脂)进行脱气和离子交换处理,最终得到锅炉用水。

RO反渗透设备是一个两级反渗透的系统,污水净化处理能力为38m3/h。流向RO反渗透设备污水的溶解固体总量(TDS)为600~1 300 mg/L。渗透物的TDS值低于20 mg/L,在混床应用之后,最终的锅炉给水质量为TDS<0.1 mg /L和二氧化硅<0.02mg/L。由高压RO反渗透设进一步压缩,压缩后的渗透物重新回到处理过程之中,浓缩后的盐溶液最后经蒸发步骤蒸发,不产生液体废弃物。

整套设备调试结束后证实了预测的性能优点:RO反渗透设备的入口压力低于0.95 MPa,RO反渗透设备的分离保留率始终在97.5%左右。

此外,也有移动式的渗透膜设备。Berkefeld公司的M6型移动式反渗透设备是一台能够从处理的废水中生产出饮用水的反渗透膜设备。它是一套全自动的水处理系统,专门为军事活动研发、设计和生产制造的。设备的材料易于维护保养,整套系统坚固耐用,适合于在恶劣环境中使用。与不同的工艺技术相结合,多重保障系统能够提供安全、可靠的高质量饮用水,原水中的杂质能够被可靠地过滤或者提取出来。

设备根据不同原水的水质自动控制,采用合适的工艺技术制水,其中就包括预处理、在线凝絮、陶瓷膜粗滤、反渗透、UV紫外线照射和杀菌等工艺技术,而陶瓷膜超滤则适合于在特别困难的工况。

Remondis公司也在污水净化处理中采用了膜技术方案。在选择膜技术解决方案时,膜的质量、安装使用条件和操作运行等因素有着决定性的作用。例如,荷兰Trespa公司处理建筑材料生产中的废水时,面临的挑战是建筑材料废水中高浓度的甲醛和苯酚。因此,这种废水的净化处理就需要在前端增加预过滤和污泥浓缩:有MBR膜生物反应器的好氧活性污泥设备。最终结果是99%的生物污染物都得到了降解,固体和生物质完全分离开来,整个处理过程没有产生固体物质,预处理后的木屑可以再次使用。

膜技术使用的泵

在膜技术处理废水的过程中,需要利用压力差来作为驱动动力,因此就需要泵。泵设备必不可少,相关的供应商有Xylem、 Ebara、Sihi、 Edur、KSB、Grundfos、 Lowara和Wilo公司等。一般来讲,膜过滤用的泵必须具有很好的耐腐蚀性能,通常不能用灰铸铁材料来制造。水中氯化物含量的高低不是选择材料的唯一决定性因素,另外还需注意的是,可以用酸/碱性的侵蚀性介质来清洗膜。因此,泵的材料需要是合金或者不锈钢材料。在处理高氯混合介质时,最合适的泵体是1.4539号不锈钢材料,此外,铝青铜,镍合金(例如哈氏合金)和钛也是非常适合的泵体材料。

除了泵的使用运行成本(能源效率),流程工艺技术也是需要重点考虑的要素。膜技术设备用泵的转速最好是可以调节的,因为变速泵能够很好地对流程工艺的自然过程做出反应。随着膜使用时间的增加,沉积在膜表面的物资也增加,所需渗透量的压力也要提高。电子调速的泵能够自动适应压力的变化,传感器检测着渗透流量,在传感器检测数据的基础上变频器控制着泵驱动电动机改变转速,从而保持所需的泵压力。

在膜技术设备中,使用这种泵还可以起到一个重要的作用:变速驱动的泵可以避免压力冲击,对敏感的膜有着很好的保护作用。

结语

膜技术已经成为成熟的标准水处理工艺技术方法了,作为基于物理反应的技术,其有着比热分离技术(蒸馏、升华、结晶)更好的经济性。另外,膜技术设备还可以按照模块化的方式构建起来,使它们有着更好的使用灵活性。 

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