Как работи: Принципи на филтриране и състав на системата от керамични мембрани за отделяне на масло и вода

1. Първо, разсейте една интуиция: недоразумението „сито“.

Много хора, когато за първи път видят керамични мембрани за отстраняване на масло, интуитивно ги смятат за „сито“-маслото е голямо, водата е малко, така че маслото се задържа и водата преминава през него. Тази аналогия не е погрешна, но пропуска най-критичната половина: в маслената отпадъчна вода това, което наистина е трудно да се задържи, не са големи маслени капки, а субмикронно емулгирано масло, стабилизирано от повърхностноактивни вещества; това, което наистина определя успеха или неуспеха, също не е "дали порите са достатъчно малки", а "дали маслото ще замърси мембраната и, веднъж замърсено, дали може да бъде почистено." Да се ​​обясни ясно каккерамични мембрани за сепарация на нефт и водаработа, човек трябва да започне с тяхното основно действие-кръстосано{1}}филтриране на потока.

2. Кръстосано-филтриране на потока: Не „Зад-задънена улица“, а „Течащо по време на почистване“

Филтрирането с кръстосан-поток е напълно различно от „филтрирането-в задънена улица“, използвано у дома за филтриране на соево мляко. При -задънено филтриране, захранващата течност се изтласква право към повърхността на мембраната и както водата, така и маслото се удрят в една и съща посока; маслото бързо се натрупва в кейк върху повърхността на мембраната и потокът се спуска като скала-. При филтриране на кръстосан поток захранващата течност тече „настрани“ по повърхността на мембраната с висока скорост; водата се задвижва под налягане, за да премине вертикално през мембраната и да стане бистър пермеат, докато маслените капчици и замърсителите непрекъснато се измиват от тази сила на срязване успоредно на повърхността на мембраната и се изхвърлят с концентрата. С други думи, мембраната не "хваща" пасивно замърсители; той активно „прогонва замърсителите“. Това е особено критично за мазни отпадъчни води: след като маслото се разпространи по повърхността на мембраната, то е изключително трудно да се отстрани, а срязването на напречния -поток е точно първата линия на защита срещу разпространението на масло. Ето защо пречистването на мазни отпадъчни води почти неизменно използва напречен-поток, а не -задънена улица.

Фигура: Типичен технологичен поток на система за разделяне на масло-вода от керамична мембрана: маслена сурова вода навлиза в мембранния модул след предварителна обработка; при срязване на напречния -поток бистрата течност прониква през мембраната, за да се превърне във вода на продукта, докато концентрираното масло и замърсителите се изхвърлят от страната на концентрата и системата може да бъде свързана към обратна осмоза надолу по веригата или етап на биологично третиране.

2.1 Концентрационна поляризация и критичен поток

Филтрирането на кръстосан{0}}поток носи и две концепции, които трябва да бъдат разбрани; иначе много полеви явления не могат да бъдат обяснени. Първият е концентрационната поляризация: водата преминава през мембраната, докато маслото и суспендираните твърди вещества се задържат близо до повърхността на мембраната; колкото по-близо до повърхността на мембраната, толкова по-висока е концентрацията, образувайки концентрационен градиент. Този градиент увеличава устойчивостта на проникване и намалява потока, но сам по себе си е обратим; след като срязването на напречния-поток изтъни граничния слой, потокът може да се възстанови. Вторият е критичен поток: има праг на потока, под който замърсяването се натрупва бавно и системата остава стабилна в дългосрочен план; над него замърсяването бързо се засилва и почистването става често. В инженерството е по-добре да работите внимателно под критичния поток, отколкото да преследвате временно висок поток. Тези две концепции са ключът към разбирането на „защо керамичните мембрани се нуждаят от кръстосан-поток“ и „защо човек не може просто да продължи да увеличава налягането“, и те също така обясняват защо пилотното-мащабно проучване е особено важно за системите за маслена отпадъчна вода.

3. Микрофилтрация и ултрафилтрация: В какъв мащаб се задържа масло?

И така, в какъв мащаб мембраните всъщност задържат масло? Това се свежда до разделението на труда между микрофилтрация (MF) и ултрафилтрация (UF). MF има относително по-големи пори и основно задържа суспендирани твърди частици, големи маслени капки и част от диспергирано масло; UF има по-фини пори, попадащи точно в обхвата на размера на капчиците емулгирано масло, и е основната сила за задържане на субмикронно емулгирано масло. Диапазоните на микрофилтрация и ултрафилтрация, които обикновено се използват в керамичните мембрани, са точно врагът на "най-фината част от маслото" в нефтените отпадъчни води. Таблицата по-долу изброява качествените разлики между двете, за да ви помогне първо да определите „до каква степен се задържа маслото“ по време на избора.

3.1 Размерът на порите не е колкото по-малък, толкова по-добре

Трябва да се отбележи, че размерът на порите не е колкото по-малък, толкова по-добре. Колкото по-плътна е мембраната, толкова по-голяма е устойчивостта на проникване на вода, толкова по-висока е консумацията на енергия и толкова по-лесно се запушва чрез свързване на фини замърсители. В инженерството принципът е „достатъчно“: първо използвайте предварителна обработка за отстраняване на големи частици и свободно масло, след това оставете керамичната ултрафилтрация да се съсредоточи върху справянето с най-трудното емулгирано масло, вместо да очаквате една мембрана да свърши всичко. Това е и най-основната "етапна" концепция в системния дизайн на керамична мембрана за пречистване на мазни отпадъчни води.

4. От единична мембрана до цялостна система

Мащабирането на една мембрана до цялостна система всъщност не е загадъчно по състав, но всяка част има своите особености. Първата част е мембранният модул и мембранният елемент. Керамичните мембрани се появяват най-вече като много-канални тръбни елементи тип пчелна пита; захранващата течност тече през каналите и водата прониква през стената на тръбата-тази структура е устойчива на замърсяване-и лесна за почистване, което я прави особено подходяща за мръсна вода. Втората част е захранващата помпа и веригата на кръстосания -поток, която осигурява две неща: трансмембранната разлика в налягането, необходима за изтласкване на захранващата течност през мембраната, и необходимата скорост на срязване на повърхността на мембраната; ако скоростта на срязване е недостатъчна, маслото ще полепне по мембраната. Третата част е събирането на чистата течна страна и страната на концентрата; чистата течност отива за повторна употреба или за последващи процеси, а концентрираната вода се изхвърля с масло. Четвъртата част е почистващият модул (CIP), който е тайното оръжие, което прави керамичните мембрани „издръжливи при употреба“-той може да измие потока обратно с киселина и основа, преди замърсяването да се натрупа до степен да повлияе на работата.

На ниво мембранен модул формата на керамичните мембрани обикновено е много{0}}канални тръбни или монолитни елементи от пчелна пита, а не плоски листове или кухи влакна. Предимствата на тази форма са ясни: висока скорост на потока и силно срязване вътре в каналите, което я прави особено подходяща за мръсна вода; след като стената на тръбата се лющи или маслото полепне, тя може да се почисти онлайн с механични гъбени топки, което органичните мембрани не могат да направят; въпреки че плътността на опаковката не е толкова висока, колкото тази на кухите влакна, това, което се печели в замяна, е устойчивост на запушване, лекота на почистване и дълъг експлоатационен живот. Когато избирате, трябва да претегляте потока, отпечатъка и удобството за почистване, вместо да гледате само един елемент. За „мръсна работа“ като маслена отпадъчна вода, тръбните или много-каналните керамични мембрани често са по-реалистичният избор.

Контролът на замърсяването е ежедневната основна линия на цялата система. По време на нормална работа срязването на напречния-поток осигурява „онлайн“ предотвратяване на замърсяване; периодично се използва пермеат за обратно промиване, за да се изтласкат плитките замърсители по повърхността на мембраната, постигайки „краткосрочно-възстановяване“; когато обратното продухване вече не може да потиска намаляването на потока, се активира химическо почистване (CIP), като се използват подходящи концентрации на киселина, основа или окислител за разтваряне и отстраняване на органични маслени утайки, котлен камък и микробна слуз. Причината, поради която керамичните мембрани се осмеляват да използват силно почистване е, че неорганичните материали са здрави; ако органичните мембрани се почистват толкова агресивно, те често биха се повреждали при всяко почистване. Поради тази причина необратимото замърсяване се натрупва бавно в керамичните мембрани, кривата на намаляване на потока е нежна и-дългосрочната оперативна „предвидимост“ е много по-добра от тази на органичните мембрани-това е от огромна стойност за производствените линии, които изискват стабилно съответствие.

4.1 Стратегия за почистване: CIP не е „промиване, когато е замърсено“

По-конкретно по отношение на стратегията за почистване, CIP не е толкова случайно, колкото „изплакнете го, когато е мръсно“. Алкалното почистване е насочено към замърсяване с органично масло и биологична тиня, киселинното почистване е насочено към неорганично образуване на котлен камък, а окислителите се използват за унищожаване на микроорганизми и разграждане на някои органични вещества; последователността, концентрацията, температурата, времето и скоростта на циркулационния поток влияят върху ефективността на възстановяване и също така влияят върху живота на мембраната. Разумен подход е да се установят свързани записи на „поток-разлика в налягането-почистване“: рутинно наблюдение на тенденциите на нормализирания поток и разликата в трансмембранното налягане; след като спадът достигне предварително зададена относителна стойност, планирайте почистване; и след почистване, запишете скоростта на възстановяване, като по този начин оптимизирате честотата и химикалите. Превръщането на почистването от „по усещане“ в „по данни“ е ключът към поддържането на керамичните мембрани използваеми в дългосрочен план.

5. Класификация на замърсяването и съответните "предписания"

Що се отнася до почистването, човек не може да избегне колко много вида замърсявания има, защото различните замърсявания изискват различни "рецепти". По източник те могат грубо да бъдат разделени на три типа: органично замърсяване, главно маслени филми, протеини и микробни метаболити, обикновено отстранени чрез алкално почистване, комбинирано с повърхностноактивни вещества; неорганичен котлен камък, от калций, магнезий, силиций и др. във вода, разтворен чрез киселинно почистване; и биологична слуз, образувана от микробна пролиферация, контролирана от оксиданти или биоциди. При реална работа трите често съществуват едновременно и се преплитат, така че планът за почистване често е въпрос на комбинация и последователност на „алкален-киселинен-окислител“, а не на единичен химикал. За мазните отпадъчни води, органичното замърсяване е основният виновник, а алкалното почистване е основата; но ако твърдостта на влиянието е висока, киселинното почистване също е необходимо. Само чрез ясна преценка на типа замърсяване и след това обсъждане на почистването може както да се почисти старателно, така и да се избегне повреда на мембраната-именно тук се крие стойността на химическата устойчивост на керамичните мембранни материали и също така това е областта, която най-много се нуждае от поддръжка на полеви данни при проектирането на почистваща система.

Фигура: Сравнение на качествена оценка между керамични мембрани и полимерни органични мембрани в ключови измерения като устойчивост на замърсяване, температурна устойчивост, устойчивост на химическо почистване, експлоатационен живот и възстановяване на потока (относителна илюстрация, не конкретни стойности).

6. Позицията му в цялата производствена линия: портиер за предварителна обработка

Разглеждайки мембранната система в рамките на цялата производствена линия, нейната позиция обикновено е тази на "пазач за предварителна обработка". Нагоре по веригата са предварителни обработки като отделяне на масло, въздушна флотация и резервоари за изравняване, отговорни за първо отстраняване на повечето свободно масло и тежки суспендирани твърди частици, предпазвайки керамичната мембрана от увреждане от големи частици и от незабавно заслепяване от прекомерно масло; надолу по веригата са усъвършенствани обработки за повторна употреба-обратната осмоза се справя с обезсоляването, йонообменът се справя с омекотяването или отстраняването на специфични йони, а биологичният етап се справя с разграждането на разтворената органична материя. Само когато керамичните мембрани отстраняват маслото до достатъчно ниско ниво, тези части надолу по веригата могат да работят спокойно: RO мембраните няма да бъдат запушени от масло, смолите няма да бъдат отровени от масло и биологичните резервоари няма да имат аерация, запечатана от маслени филми. Може да се каже, че ако тази бариера от керамична мембрана се задържи, стабилността на цялата верига за повторна употреба надолу по веригата също е от полза.

Таблицата по-долу обобщава ключовите възли, функции и проблеми с дизайна на система за разделяне на масло-вода от керамична мембрана, улеснявайки-проверките на конфигурацията на място.

В този момент работната логика накерамични мембрани за сепарация на нефт и водастава ясно: това не е изолиран „филтър“, а миниатюрна инженерна система за „превенция на замърсяване на кръстосан-поток + поетапно задържане + възстановяване на почистване + координация нагоре/надолу по веригата“. Разбирането на това е по-важно от запомнянето на който и да е отделен параметър-защото, когато възникнат проблеми на полето, девет пъти от десет те възникват от „координацията на системата“, а не от „самата мембрана“.

7.Оперативна методология: първо водният баланс

На оперативно ниво все още се прилага многократно проверената методика: първо се прави воден баланс, за да се изяснят водните обеми и дестинацията на концентрата; след това класифицирайте качеството на водата, за да определите коя форма на нефт преобладава и какъв праг на качеството на водата изисква долното течение; накрая изчислете периода на изплащане и общата цена на притежание, за да решите мащаба на системата и стратегията за почистване. Само чрез стабилно изпълнение на тези три стъпки може механизмът "как работи" на керамичните мембрани наистина да се превърне в стабилна чиста вода и възстановимо масло на вашата производствена линия.