Kako deluje: Načela filtracije in sistemska sestava keramičnih membran za ločevanje oljne vode

1. Najprej razblinite intuicijo: nesporazum "sito".

Mnogi ljudje, ko prvič vidijo keramične membrane za odstranjevanje olja, intuitivno pomislijo nanje kot na "sito"-olje je veliko, voda je majhna, zato se olje zadržuje in voda prehaja skozi. Ta analogija ni napačna, vendar zgreši najbolj kritično polovico: v zaoljenih odpadnih vodah tisto, kar je resnično težko zadržati, niso velike oljne kapljice, temveč submikronsko emulgirano olje, stabilizirano s površinsko aktivnimi snovmi; tisto, kar resnično določa uspeh ali neuspeh, prav tako ni "ali so pore dovolj majhne", ampak "ali bo olje umazalo membrano in, ko je enkrat umazano, ali jo je mogoče očistiti." Jasno pojasniti, kakokeramične membrane za ločevanje oljne vodedelo, je treba začeti z njihovim osnovnim delovanjem-navzkrižno{1}}filtracijo.

2. Filtriranje navzkrižnega-toka: Ne "slepa-ulica," ampak "teče med čiščenjem"

Filtriranje-navzkrižnega toka je popolnoma drugačno od »filtriranja-slepe ulice«, ki se uporablja doma za filtriranje sojinega mleka. Pri slepo-filtraciji je dovodna tekočina potisnjena naravnost proti površini membrane, voda in olje pa udarita v isto smer; olje se hitro nabere v pogačo na površini membrane in tok pada-kot strmo. Pri filtraciji s prečnim-tokom napajalna tekočina teče "bočno" vzdolž površine membrane z veliko hitrostjo; voda se pod pritiskom poganja, da gre navpično skozi membrano in postane bister permeat, medtem ko se kapljice olja in onesnaževalci s to strižno silo nenehno odvajajo proč vzporedno s površino membrane in se odvajajo s koncentratom. Z drugimi besedami, membrana ne "lovi" pasivno onesnaževalcev; aktivno "odganja onesnaževalce stran." To je še posebej kritično za oljno odpadno vodo: ko se olje razširi po površini membrane, ga je izjemno težko odstraniti in striženje prečnega toka je ravno prva obrambna linija pred širjenjem olja. To je tudi razlog, zakaj čiščenje zaoljene odpadne vode skoraj vedno uporablja prečni-tok in ne slepo-ulico.

Slika: Tipičen procesni tok sistema za ločevanje olja-vode s keramično membrano: oljnata surova voda vstopi v membranski modul po predobdelavi; pod strižnim-prečnim pretokom bistra tekočina pronica skozi membrano in postane proizvodna voda, medtem ko se koncentrirano olje in onesnaževalci odvajajo s strani koncentrata, sistem pa je mogoče priključiti na reverzno osmozo ali stopnjo biološke obdelave.

2.1 Polarizacija koncentracije in kritični tok

Navzkrižno{0}}filtriranje prinaša tudi dva koncepta, ki ju je treba razumeti; drugače marsikaterega pojava na terenu ni mogoče razložiti. Prva je koncentracijska polarizacija: voda prehaja skozi membrano, medtem ko se olje in suspendirane trdne snovi zadržujejo blizu površine membrane; bližje površini membrane, višja je koncentracija, ki tvori koncentracijski gradient. Ta gradient poveča odpornost proti prepustnosti in zmanjša pretok, vendar je sam reverzibilen; ko strižni-prečni tok stanjša mejno plast, se lahko tok obnovi. Drugi je kritični tok: obstaja prag toka, pod katerim se umazanija kopiči počasi in sistem ostane dolgoročno stabilen; nad njim se obraščanje hitro stopnjuje in čiščenje postane pogosto. V tehniki je bolje delovati nežno pod kritičnim tokom, kot pa slediti začasno visokemu toku. Ta dva koncepta sta ključna za razumevanje, "zakaj keramične membrane potrebujejo navzkrižni-tok" in "zakaj ni mogoče preprosto povečevati tlaka," ter pojasnjujeta tudi, zakaj je pilotno-raziskovanje še posebej pomembno za sisteme za oljne odpadne vode.

3. Mikrofiltracija in ultrafiltracija: v kakšnem obsegu se zadržuje olje?

V kakšnem obsegu torej membrane dejansko zadržujejo olje? To se zmanjša na delitev dela med mikrofiltracijo (MF) in ultrafiltracijo (UF). MF ima relativno večje pore in v glavnem zadržuje suspendirane trdne snovi, velike oljne kapljice in del razpršenega olja; UF ima tanjše pore, ki spadajo prav v obseg velikosti emulgiranih oljnih kapljic, in je glavna sila za zadrževanje submikronskega emulgiranega olja. Območji mikrofiltracije in ultrafiltracije, ki se običajno uporabljata v keramičnih membranah, sta ravno sovražnik "najfinejšega dela olja" v zaljnjeni odpadni vodi. Spodnja tabela navaja kvalitativne razlike med obema, da boste med izbiro najprej ugotovili, "do katere stopnje se olje zadrži".

3.1 Velikost por ni manjša, tem bolje

Upoštevati je treba, da velikost por ni čim manjša, tem bolje. Gostejša kot je membrana, večja je odpornost na prepustnost vode, večja je poraba energije in lažje se zamaši s premoščanjem drobnih onesnaževalcev. V tehniki je načelo "ravno dovolj": najprej uporabite predobdelavo, da odstranite velike delce in prosto olje, nato pa pustite, da se keramična ultrafiltracija osredotoči na obravnavo najtežjih emulgiranih olj, namesto da pričakujete, da bo ena membrana naredila vse. To je tudi najbolj osrednji "uprizoritveni" koncept pri načrtovanju sistema keramične membrane za čiščenje oljne odpadne vode.

4. Od ene same membrane do celotnega sistema

Povečanje ene same membrane v celoten sistem pravzaprav ni skrivnostna sestava, vendar ima vsak del svoje posebnosti. Prvi del je membranski modul in membranski element. Keramične membrane se večinoma pojavljajo kot več-kanalni satjasti cevasti elementi; napajalna tekočina teče skozi kanale, voda pa pronica skozi steno cevi-ta struktura je odporna na obraščanje-in jo je enostavno čistiti, zaradi česar je še posebej primerna za umazano vodo. Drugi del je napajalna črpalka in prečna -točna zanka, ki zagotavlja dve stvari: transmembransko tlačno razliko, potrebno za potiskanje napajalne tekočine skozi membrano, in strižno hitrost, potrebno na površini membrane; če je strižna hitrost nezadostna, se olje oprime membrane. Tretji del je zbiranje strani čiste tekočine in strani koncentrata; čista tekočina gre v ponovno uporabo ali v nadaljnje postopke, koncentrirana voda pa se odvaja z oljem. Četrti del je čistilna enota (CIP), ki je skrivno orožje, zaradi katerega so keramične membrane "trajne pri uporabi"-lahko spere fluks s kislino in alkalijami, preden se umazanija nabere do te mere, da vpliva na delovanje.

Na ravni membranskega modula je oblika keramičnih membran običajno več{0}}kanalni cevasti ali satjasti monolitni elementi, ne pa ravne plošče ali votla vlakna. Prednosti te oblike so očitne: visoka hitrost pretoka in močan strig znotraj kanalov, zaradi česar je še posebej primeren za umazano vodo; ko se stena cevi lušči ali oprime olja, jo je mogoče očistiti na spletu z mehanskimi gobastimi kroglicami, česar organske membrane ne zmorejo; čeprav gostota pakiranja ni tako visoka kot pri votlih vlaknih, je v zameno pridobljena odpornost proti zamašitvam, enostavno čiščenje in dolga življenjska doba. Pri izbiri je treba pretehtati tok, odtis in udobje čiščenja, namesto da bi gledali le na en element. Za "umazano delo", kot je zaoljena odpadna voda, so cevaste ali več-kanalne keramične membrane pogosto bolj realna izbira.

Nadzor obraščanja je dnevna glavna linija celotnega sistema. Med normalnim delovanjem strižni-tok zagotavlja »spletno« preprečevanje obraščanja; občasno se permeat uporablja za povratno izpiranje, da potisne plitve onesnaževalce na površini membrane, s čimer se doseže "kratkoročno-obnovo"; ko povratno izpiranje ne more več zavirati upada pretoka, se aktivira kemično čiščenje (CIP) z uporabo ustreznih koncentracij kisline, alkalije ali oksidanta za raztapljanje in odstranjevanje organske oljne gošče, lusk in mikrobne sluzi. Razlog, da si keramične membrane drznejo uporabiti močno čiščenje, je, da so anorganski materiali robustni; če bi organske membrane čistili tako agresivno, bi se ob vsakem čiščenju pogosto poškodovale. Zaradi tega se v keramičnih membranah ireverzibilna umazanija počasi kopiči, krivulja upadanja pretoka je blaga in-dolgoročna »predvidljivost« delovanja je veliko boljša kot pri organskih membranah-to je ogromne vrednosti za proizvodne linije, ki zahtevajo stabilno skladnost.

4.1 Strategija čiščenja: CIP ni "izpiranje, ko je umazano"

Konkretno glede strategije čiščenja CIP ni tako ležeren kot "splakni, ko je umazan". Alkalno čiščenje je namenjeno obraščanju z organskim oljem in biološko sluzjo, kislinsko čiščenje je usmerjeno proti anorganskemu luščenju, oksidanti pa se uporabljajo za ubijanje mikroorganizmov in razgradnjo nekaterih organskih snovi; zaporedje, koncentracija, temperatura, čas in hitrost cirkulacijskega toka vplivajo na učinkovitost okrevanja in tudi na življenjsko dobo membrane. Razumen pristop je vzpostaviti povezane zapise o "fluksu-tlačni razliki-čiščenju": redno spremljati trende normaliziranega pretoka in transmembranske razlike v tlaku; ko padec doseže prednastavljeno relativno vrednost, načrtujte čiščenje; in po čiščenju zabeležite stopnjo okrevanja, s čimer optimizirate pogostost in kemikalije. Spreminjanje čiščenja iz »po občutku« v »po podatkih« je ključ do dolgoročne uporabnosti keramičnih membran.

5. Klasifikacija umazanije in ustrezni "predpisi"

Pri čiščenju se ne moremo izogniti številu vrst umazanije, saj različna umazanija zahteva različne »recepte«. Po izvoru jih lahko grobo razdelimo na tri vrste: organsko obraščanje, predvsem oljni filmi, beljakovine in mikrobni presnovki, običajno odstranjeni z alkalnim čiščenjem v kombinaciji s površinsko aktivnimi snovmi; anorganski vodni kamen, iz kalcija, magnezija, silicija itd. v vodi, raztopljen s kislinskim čiščenjem; in biološko sluz, ki nastane z mikrobno proliferacijo, nadzorovano z oksidanti ali biocidi. Pri dejanskem delovanju ti trije pogosto soobstajajo in se prepletajo, zato je načrt čiščenja pogosto stvar kombinacije in zaporedja »alkalnega-kislinskega-oksidanta« in ne ene same kemikalije. Za oljne odpadne vode je glavni krivec organsko obraščanje, temelj pa je alkalno čiščenje; če pa je vtočna trdota visoka, je nepogrešljivo tudi kislinsko čiščenje. Samo z jasno presojo vrste umazanije in nato razpravo o čiščenju lahko temeljito očistimo in se izognemo poškodbam membrane-prav v tem je vrednost kemične odpornosti keramičnih membranskih materialov in je tudi področje, ki pri načrtovanju čistilnega sistema najbolj potrebuje podporo s terenskimi podatki.

Slika: Primerjava kvalitativne ocene med keramičnimi membranami in polimernimi organskimi membranami v ključnih dimenzijah, kot so odpornost proti obraščanju, temperaturna odpornost, odpornost na kemično čiščenje, življenjska doba in obnovitev toka (relativna ilustracija, ne specifične vrednosti).

6. Njegov položaj v celotni proizvodni liniji: vratar za predobdelavo

Če pogledamo membranski sistem znotraj celotne proizvodne linije, je njegov položaj običajno položaj "vratarja pred obdelavo". Gorvodno so predobdelave, kot so ločevanje olja, zračna flotacija in izravnalni rezervoarji, odgovorni za prvo odstranitev večine prostega olja in težkih suspendiranih trdnih delcev, zaščito keramične membrane pred poškodbami zaradi velikih delcev in pred takojšnjim zaslepitvijo zaradi prekomerne količine olja; v nadaljevanju poteka napredna obdelava za ponovno uporabo-reverzna osmoza skrbi za razsoljevanje, ionska izmenjava skrbi za mehčanje ali odstranjevanje določenih ionov, biološka stopnja pa obravnava razgradnjo raztopljene organske snovi. Le ko keramične membrane odstranijo olje na dovolj nizko raven, lahko ti spodnji deli delujejo brez skrbi: RO membrane ne bodo zamašene z oljem, smole ne bodo zastrupljene z oljem in biološki rezervoarji ne bodo imeli prezračevanja, zaprtega z oljnimi filmi. Lahko rečemo, da če se ta keramična membranska pregrada drži, koristi tudi stabilnost celotne verige ponovne uporabe na koncu.

Spodnja tabela povzema ključne enote, funkcije in pomisleke pri oblikovanju sistema za ločevanje olja-vode s keramično membrano, kar olajša-preverjanje konfiguracije na mestu.

Na tej točki je delovna logikakeramične membrane za ločevanje oljne vodepostane jasno: ne gre za izoliran »filter«, temveč za miniaturni inženirski sistem »preprečevanja obraščanja-prečnega toka + stopenjskega zadrževanja + obnovljivega čiščenja + usklajevanja navzgor/navzdol.« Razumevanje tega je pomembnejše od pomnjenja katerega koli posameznega parametra-, kajti ko se težave pojavijo na terenu, devetkrat od desetih nastanejo zaradi "usklajevanja sistema" in ne zaradi "same membrane."

7. Operativna metodologija: najprej vodna bilanca

Na operativni ravni še vedno velja večkrat preverjena metodologija: najprej naredite vodno bilanco, da razjasnite količine vode in destinacijo koncentrata; nato razvrstite kakovost vode, da ugotovite, katera oblika nafte prevladuje in kakšen prag kakovosti vode zahteva dolvodno; končno izračunajte dobo vračila in skupne stroške lastništva, da se odločite za obseg sistema in strategijo čiščenja. Samo s trdno izvedbo teh treh korakov se lahko mehanizem "kako deluje" keramičnih membran resnično pretvori v stabilno čisto vodo in obnovljivo olje na vaši proizvodni liniji.