Jump to content

Прямой осмос

Опреснение воды
Методы
Осмотические мембранные процессы

Прямой осмос ( FO ) — это осмотический процесс, в котором, как и в обратном осмосе (RO), используется полупроницаемая мембрана для отделения воды . от растворенных веществ Движущей силой этого разделения является градиент осмотического давления , так что «вытягиваемый» раствор высокой концентрации (по сравнению с исходным раствором) используется для создания чистого потока воды через мембрану в вытягиваемый раствор, таким образом эффективное отделение питательной воды от ее растворенных веществ. Напротив, в процессе обратного осмоса используется гидравлическое давление в качестве движущей силы разделения , которое 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, чем для прямого осмоса.

Семейство осмотических мембранных процессов, включая обратный осмос и прямой осмос.

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

где воды – поток , A – гидравлическая проницаемость мембраны, Δπ – разница осмотических давлений по обе стороны мембраны, ΔP – разница гидростатического давления (отрицательные значения что указывает на обратный осмотический поток). Моделирование этих взаимосвязей на практике более сложное, чем показывает это уравнение, поскольку поток зависит от характеристик мембраны, подачи и вытяжного раствора, а также от динамики жидкости внутри самого процесса. [1]

T растворенного потока ( ) для каждого отдельного растворенного вещества можно смоделировать по закону Фика.

Где - коэффициент проницаемости растворенного вещества и представляет собой разницу трансмембранной концентрации растворенного вещества. Из этого основного уравнения ясно, что растворенное вещество будет диффундировать из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, если растворенные вещества могут диффундировать через мембрану. Это хорошо известно при обратном осмосе, когда растворенные вещества из питательной воды диффундируют в продуктивную воду, однако в случае прямого осмоса ситуация может быть намного сложнее.

В процессах FO возможна диффузия растворенных веществ в обоих направлениях в зависимости от состава вытяжного раствора, типа используемой мембраны и характеристик питательной воды. Обратный поток растворенного вещества ( ) делает две вещи; Растворенные вещества питательного раствора могут диффундировать в исходный раствор, а растворенные вещества питательного раствора могут диффундировать в вытяжной раствор. Очевидно, что эти явления имеют последствия с точки зрения выбора решения по вытяжке для любого конкретного процесса ОП. Например, потеря вытяжного раствора может повлиять на исходный раствор, возможно, из-за проблем с окружающей средой или загрязнения потока сырья, например, в биореакторах с осмотическими мембранами.

Дополнительное различие между процессами обратного осмоса (RO) и прямого осмоса (FO) заключается в том, что пермеат, полученный в результате процесса обратного осмоса, в большинстве случаев представляет собой пресную воду, готовую к использованию. В FO требуется дополнительный процесс для отделения пресной воды от разбавленного раствора. Типы используемых процессов: обратный осмос, экстракция растворителем, магнитная и термолитическая. В зависимости от концентрации растворенных веществ в сырье (которая определяет необходимую концентрацию растворенных веществ в вытяжке) и предполагаемого использования продукта процесса FO добавление стадии разделения может не потребоваться. Мембранное разделение процесса FO фактически приводит к «обмену» растворенных веществ исходного раствора и вытяжного раствора.

Процесс прямого осмоса также известен как осмос или, в случае ряда компаний, придумавших собственную терминологию, «инженерный осмос» и «манипулятивный осмос».

Приложения

[ редактировать ]

Экстренные напитки

[ редактировать ]
Мешок для гидратации перед использованием

Один из примеров применения этого типа можно найти в «мешках для гидратации», в которых используется растворимый раствор для проглатывания и которые предназначены для отделения воды от разбавленного корма. Это позволяет, например, заглатывать воду из поверхностных водоемов (ручьев, прудов, луж и т. д.), которые, как ожидается, могут содержать патогены или токсины , которые легко отторгаются FO-мембраной. При достаточном времени контакта такая вода проникнет через мембранный мешок в вытяжной раствор, оставив после себя нежелательные компоненты сырья. Разбавленный раствор для вытягивания можно затем принимать непосредственно внутрь. Обычно растворенные вещества представляют собой сахара, такие как глюкоза или фруктоза , которые обеспечивают дополнительную питательную пользу пользователю устройства FO. Дополнительный интерес к таким сумкам заключается в том, что их можно легко использовать для переработки мочи , что значительно расширяет возможности туриста или солдата выживать в засушливых условиях. [2] Этот процесс, в принципе, также можно использовать с источниками питательной воды с высокой концентрацией соленого соли, такими как морская вода, поскольку одним из первых предполагаемых применений FO с проглатываемыми растворенными веществами было выживание на спасательных плотах в море. [3]

Опреснение

[ редактировать ]
Контейнерная опреснительная установка прямого осмоса компании Modern Water в Аль-Халуфе, Оман
Установка промышленного оптоволокна Forward Water Technologies на Terrapure-2019

Опресненная вода может быть получена из разбавленного раствора осмотического агента с использованием второго процесса. Это может быть мембранное разделение, термический метод, физическое разделение или комбинация этих процессов. Этот процесс имеет особенность низкого загрязнения из-за первого этапа прямого осмоса, в отличие от обычных опреснительных установок обратного осмоса, где загрязнение часто является проблемой. Компания Modern Water развернула опреснительные установки на основе прямого осмоса в Гибралтаре и Омане. [4] [5] [6] В марте 2010 года National Geographic [7] Журнал назвал прямой осмос одной из трех технологий, которые обещают снизить энергозатраты на опреснение.

Испарительная градирня – подпиточная вода

[ редактировать ]
Простая схема прямого осмоса при производстве подпиточной воды для испарительного охлаждения

Еще одно разработанное применение, в котором используется только этап прямого осмоса, - это испарительное охлаждение подпиточной воды. В этом случае охлаждающая вода представляет собой вытяжной раствор, а вода, потерянная в результате испарения, 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 процессами « опреснения », которые могут использоваться для подпиточной воды, потребление энергии составляет лишь небольшую часть от этого, а дополнительным преимуществом является низкая склонность к загрязнению процесса прямого осмоса. [8] [9] [10]

Очистка фильтрата свалок

[ редактировать ]

В случае, когда желаемым продуктом является пресная вода, не содержащая растворенных веществ, требуется второй этап разделения. Первый этап разделения ФО, обусловленный градиентом осмотического давления, не требует значительных затрат энергии (только перемешивание без давления или перекачивание растворов). Однако второй этап разделения обычно требует затрат энергии. Одним из методов, используемых на втором этапе разделения, является использование RO. Этот подход использовался, например, при очистке свалок фильтрата . Мембранная сепарация FO используется для отвода воды из исходного фильтрата в соляной раствор (NaCl). Разбавленный рассол затем проходит через процесс обратного осмоса для получения пресной воды и концентрата рассола многократного использования. Преимущество этого метода заключается не в экономии энергии, а в том, что процесс FO более устойчив к загрязнению исходным фильтратом, чем один только процесс обратного осмоса. [11] Подобный гибрид FO/RO использовался для концентрирования пищевых продуктов, таких как фруктовые соки. [12]

Концентрация рассола

[ редактировать ]
Пилотная система Oasys FO

Концентрация рассола с использованием прямого осмоса может быть достигнута с использованием вытяжного раствора с высоким осмотическим давлением со средствами его восстановления и регенерации. аммиака и углекислого газа (NH 3 /CO 2 В одном из таких процессов используется процесс прямого осмоса ), изобретенный в Йельском университете. [13] [14] Роб Макгиннис, который впоследствии основал Oasys Water для коммерциализации этой технологии. [15] [16] Поскольку аммиак и диоксид углерода легко диссоциируют на газы с помощью тепла, растворенные вещества можно эффективно улавливать и повторно использовать в системе с замкнутым контуром, достигая разделения за счет преобразования тепловой энергии и осмотического давления. Концентрация рассола NH 3 /CO 2 FO первоначально была продемонстрирована в нефтегазовой промышленности для очистки попутной воды в районе Пермского бассейна в Техасе и в настоящее время используется на электростанциях и промышленных предприятиях в Китае. [17] [18]

«Умягчение» питательной воды / предварительная обработка для термического опреснения

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

Одно неиспользуемое приложение [19] заключается в «смягчении» или предварительной очистке питательной воды для установок многоступенчатой ​​мгновенной испарения (MSF) или многоступенчатой ​​дистилляции (MED) путем осмотического разбавления рециркулирующего рассола охлаждающей водой. Это снижает концентрацию отложений, образующих карбонат и сульфат кальция, по сравнению с обычным процессом, что позволяет повысить температуру верхней части рассола (TBT), производительность и коэффициент выхода (GOR). Дарвиш и др. [20] показали, что TBT можно повысить со 110 °C до 135 °C, сохраняя при этом тот же индекс масштабирования для сульфата кальция.

Пищевая промышленность

[ редактировать ]

Хотя осмотическая обработка пищевых продуктов (например, консервированных фруктов и мяса) очень распространена в пищевой промышленности, [21] Обработка FO для концентрации напитков и жидких пищевых продуктов изучалась только в лабораторных масштабах. [22] [23] [24] [25] [26] FO имеет ряд преимуществ как процесс концентрирования напитков и жидких пищевых продуктов, включая работу при низких температурах и низких давлениях, которые способствуют высокому сохранению органолептической (например, вкуса, аромата, цвета) и пищевой (например, витаминов) ценности, высокой степени отбраковки и потенциально низкое засорение мембраны по сравнению с мембранными процессами, управляемыми давлением. [27]

Осмотическая сила

[ редактировать ]
Простая схема генерации электроэнергии PRO

В 1954 году Пэттл [28] предположил, что существует неиспользованный источник энергии, когда река смешивается с морем, с точки зрения потери осмотического давления, однако только в середине 70-х годов Леб разработал практический метод его использования с использованием избирательно проницаемых мембран. [29] и независимо Еллинека [30] было изложено. Этот процесс был назван Лебом осмосом с замедлением давления (PRO), и одна упрощенная реализация показана напротив. В некоторых ситуациях, которые можно предусмотреть для его использования, используется перепад осмотического давления между невысокой солоноватой рекой, впадающей в море, или рассолом и морской водой. Мировой теоретический потенциал осмотической энергии оценивается в 1650 ТВтч/год. [31]

Опытная установка Статкрафт ПРО

В последнее время значительный объем исследований и разработок был проведен и профинансирован Statkraft, норвежской государственной энергетической компанией. В Норвегии был построен прототип завода с валовой мощностью от 2 до 4 кВт; см. прототип осмотической мощности Statkraft в Хуруме . Рассматривалась гораздо более крупная электростанция мощностью 1–2 МВт в Сунндалсёре, в 400 км к северу от Осло. [32] но впоследствии был исключен. [33] Организация по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO) в Японии финансирует работы по осмотической силе. [34]

Промышленное использование

[ редактировать ]

Преимущества

[ редактировать ]

Прямой осмос (FO) имеет множество положительных сторон при очистке промышленных сточных вод, содержащих множество различных загрязнений, а также при очистке соленых вод. [35] Когда эти стоки имеют умеренную или низкую концентрацию удаляемых агентов, FO-мембраны действительно эффективны и имеют возможность гибко адаптировать мембрану в зависимости от желаемого качества получаемой воды. Системы FO также очень 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, где регенерация определенного продукта необходима для минимизации затрат или повышения эффективности, например, в процессах производства биогаза.

Недостатки

[ редактировать ]

Основным недостатком процессов FO является высокий коэффициент загрязнения, которому они могут подвергаться. Это происходит при очистке сточных вод с высокой насыщенностью, в результате чего мембрана продавливается и перестает выполнять свою функцию. Это означает, что процесс необходимо остановить и очистить мембрану. Эта проблема возникает реже при других видах обработки мембран, поскольку они создают искусственное давление, вынуждающее проникать через мембрану, уменьшая эффект загрязнения.Также существует проблема с еще не разработанной мембранной технологией. Это влияет на процессы FO, поскольку используемые мембраны дороги, не очень эффективны и не идеальны для желаемой функции. Это означает, что во многих случаях вместо мембран используются другие более дешевые и простые системы.

Промышленный рынок и будущее

[ редактировать ]

В настоящее время в промышленности используется мало FO-мембранных процессов (и мембранных технологий в целом), поскольку это сложные процессы, которые также являются дорогостоящими и требуют большого количества процедур очистки и которые иногда работают только при определенных условиях, которые в промышленности не всегда могут быть обеспечены. По этой причине в будущем в мембранах основное внимание уделяется совершенствованию технологии, чтобы она стала более гибкой и подходящей для общего промышленного использования. Это будет достигнуто за счет инвестиций в исследования и постепенного вывода этих разработок на рынок, чтобы снизить себестоимость производства по мере производства большего количества мембран.С учетом текущего развития можно быть уверенным, что через несколько лет мембраны будут широко использоваться во многих различных промышленных процессах (не только в очистке воды) и появится множество областей, где можно будет использовать процессы FO.

Исследовать

[ редактировать ]

Область текущих исследований FO включает прямое удаление растворенных веществ, в данном случае с помощью магнитного поля. Маленькие (наноразмерные) магнитные частицы взвешены в растворе, создавая осмотическое давление, достаточное для отделения воды от разбавленного сырья. После того как вытяжной раствор, содержащий эти частицы, разбавлен водным потоком FO, их можно отделить от этого раствора с помощью магнита (либо напротив стенки гидратного мешка, либо вокруг трубы в линии в установившемся процессе). ).

  1. ^ Ли, К. (1981). «Мембраны для выработки электроэнергии методом осмоса с замедлением давления». Журнал мембранной науки . 8 (2): 141–171. дои : 10.1016/S0376-7388(00)82088-8 .
  2. ^ Солтер, Р.Дж. (2005). «Форвардный осмос» (PDF) . Кондиционирование и очистка воды . 48 (4): 36–38. Архивировано из оригинала (PDF) 28 июля 2011 г.
  3. ^ Кесслер, Дж. О.; Муди, компакт-диск (1976). «Питьевая вода из морской воды методом прямого осмоса». Опреснение . 18 (3): 297–306. Бибкод : 1976Дезал..18..297К . дои : 10.1016/S0011-9164(00)84119-3 .
  4. ^ «Завод ФО завершил 1 год работы» (PDF) . Отчет об опреснении воды : 2–3. 15 ноября 2010 г. Проверено 28 мая 2011 г.
  5. ^ «Спрос на современные водопроводные краны 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 опреснения.
  7. ^ «Большая идея» . Нэшнл Географик . Март 2010. Архивировано из оригинала 28 марта 2010 года . Проверено 14 июня 2013 г.
  8. ^ П. Николл Манипулируемый осмос – альтернатива обратному осмосу? Климат-контроль, Ближний Восток, апрель 2011 г., стр. 46–49.
  9. ^ Николл П.Г.; Томпсон Н.А.; Бедфорд М.Р. (сентябрь 2011 г.). Манипулируемый осмос для подпиточной воды для испарительного охлаждения – революционная технология (PDF) . Международная ассоциация опреснения.
  10. ^ Питер Николл; Нил Томпсон; Виктория Грей (февраль 2012 г.). Прямой осмос применительно к подпиточной воде для испарительного охлаждения (PDF) . Институт технологии охлаждения.
  11. ^ Р. Дж. Йорк, Р. С. Тиль и Э. Г. Бодри, Полномасштабный опыт концентрирования методом прямого осмоса применительно к управлению фильтратом, Седьмой международный симпозиум по управлению отходами и свалками на Сардинии '99, С. Маргерита ди Пула, Кальяри, Сардиния, Италия, 1999.
  12. ^ Э.Г. Бодри; К. А. Лампи (1990). «Мембранная технология прямого осмоса для концентрирования фруктовых соков». Пищевая технология . 44 : 121.
  13. ^ Маккатчеон, Джеффри Р.; Макгиннис, Роберт Л.; Элимелех, Менахем (2005). «Новый процесс опреснения аммиака и углекислого газа прямым (прямым) осмосом» (PDF) . Опреснение . 174 (1): 1–11. Бибкод : 2005Дезал.174....1М . дои : 10.1016/j.desal.2004.11.002 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 мая 2006 г.
  14. ^ Патент США 7560029 , Роберт МакГиннис, «Процесс осмотического опреснения», выдан 14 июля 2009 г.  
  15. ^ Панагопулос, Аргирис; Хараламбус, Кэтрин-Джоанна; Лоизиду, Мария (25 ноября 2019 г.). «Методы утилизации и технологии очистки опреснительных рассолов. Обзор». Наука об общей окружающей среде . 693 : 133545. Бибкод : 2019ScTEn.69333545P . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.351 . ISSN   0048-9697 . ПМИД   31374511 . S2CID   199387639 .
  16. ^ Мы решаем за X: Роб МакГиннис о глобальной нехватке воды , 6 февраля 2012 г., заархивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. , получено 23 января 2020 г.
  17. ^ Отчет об опреснении воды, «Технологические концентраты нефтепромыслового рассола FO» . Архивировано 13 апреля 2014 г. в Wayback Machine . Опубликовано 8 октября 2012 г.
  18. ^ «СтекПуть» . www.waterworld.com . 28 июля 2016 года . Проверено 23 января 2020 г.
  19. ^ Патент EP 2493815 , Питер Николл, «Термическое опреснение», выдан 25 сентября 2013 г.  
  20. ^ Мохаммед Дарвиш; Ашраф Хасан; Абдель Насер Мабрук; Хасан Абдулрахим; Адель Шариф (10 июля 2015 г.). «Жизнеспособность интеграции прямого осмоса (FO) в качестве предварительной очистки существующей опреснительной установки». Опреснение и очистка воды . дои : 10.1080/19443994.2015.1066270 .
  21. ^ «Осмотические методы лечения (ОТ) и проблемы, связанные с управлением растворами» . ученый.google.com . Проверено 15 января 2023 г.
  22. ^ «Осмотическая концентрация фруктовых соков» . Мембранная технология . 1994 (53): 9 сентября 1994 г. doi : 10.1016/0958-2118(94)90150-3 . ISSN   0958-2118 .
  23. ^ Цзяо, Б.; Кассано, А.; Дриоли, Э. (1 августа 2004 г.). «Последние достижения в области мембранных процессов концентрирования фруктовых соков: обзор» . Журнал пищевой инженерии . 63 (3): 303–324. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2003.08.003 . ISSN   0260-8774 .
  24. ^ Петротос, Константинос Б.; Квантик, Питер; Петропакис, Геракл (ноябрь 1998 г.). «Исследование прямой осмотической концентрации томатного сока в трубчатой ​​мембранно-модульной конфигурации. I. Влияние некоторых основных параметров процесса на производительность процесса» . Журнал мембранной науки . 150 (1): 99–110. дои : 10.1016/s0376-7388(98)00216-6 . ISSN   0376-7388 .
  25. ^ Петротос, Константинос Б; Лазаридес, Харрис Н. (август 2001 г.). «Осмотическая концентрация жидких пищевых продуктов» . Журнал пищевой инженерии . 49 (2–3): 201–206. дои : 10.1016/S0260-8774(00)00222-3 .
  26. ^ Вролстад, Рональд Э.; Макдэниел, Мина Р.; Дерст, Роберт В.; Майклс, Нэнси; Лампи, Кейт А.; Бодри, Эдвард Г. (май 1993 г.). «Состав и сенсорная характеристика сока красной малины, концентрированного методом прямого осмоса или выпаривания» . Журнал пищевой науки . 58 (3): 633–637. дои : 10.1111/j.1365-2621.1993.tb04344.x . ISSN   0022-1147 .
  27. ^ Кэт, Цахи Ю.; Чилдресс, Эми Э.; Элимелех, Менахем (15 сентября 2006 г.). «Прямой осмос: принципы, применение и последние разработки» . Журнал мембранной науки . 281 (1): 70–87. дои : 10.1016/j.memsci.2006.05.048 . ISSN   0376-7388 .
  28. ^ Р.Э. Пэттл (2 октября 1954 г.). «Производство электроэнергии путем смешивания пресной и соленой воды в котле ГЭС». Природа . 174 (4431): 660. Бибкод : 1954Natur.174..660P . дои : 10.1038/174660a0 . S2CID   4144672 .
  29. ^ С. Леб (22 августа 1975 г.). «Осмотические электростанции». Наука . 189 (4203): 654–655. Бибкод : 1975Sci...189..654L . дои : 10.1126/science.189.4203.654 . ПМИД   17838753 . S2CID   30939629 .
  30. ^ Х.Г. Еллинек (1975). «Осмотическая работа I. Производство энергии за счет осмоса в системах пресной/соленой воды». Кагаку Кодзё . 19 .
  31. ^ ОС Скраместо; С.-Э. Скиллхаген; В. К. Нильсен (27–30 июля 2009 г.). «Производство электроэнергии на основе осмотического давления» (PDF) . Гидроэнергетика XVI . Архивировано из оригинала (PDF) 2 мая 2014 года.
  32. ^ «Statkraft рассматривает возможность пилотной установки осмотической энергии в Сунндалсёре» . Проверено 1 мая 2014 г.
  33. ^ «Statkraft прекращает инвестиции в осмотическую энергию» . Проверено 1 мая 2014 г.
  34. ^ «В центре внимания прямой осмос, часть 2». Отчет об опреснении воды . 49 (15). 22 апреля 2013 г.
  35. ^ Сувайле, Вафа; Патхак, Ниренкумар; Шон, Хокионг; Хилал, Нидал (1 июля 2020 г.). «Мембраны и процессы прямого осмоса: всесторонний обзор тенденций исследований и перспектив на будущее» . Опреснение . 485 : 21. Бибкод : 2020Desal.48514455S . doi : 10.1016/j.desal.2020.114455 . hdl : 10453/140533 . S2CID   218795753 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 91c0098e763c6007b30018b11e363de6__1718326500
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/91/e6/91c0098e763c6007b30018b11e363de6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Forward osmosis - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)