Прямой осмос (FO)

npj Чистая вода, том 4, Артикул: 51 (2021) Цитировать эту статью

4478 Доступов

7 цитат

57 Альтметрика

Подробности о метриках

В настоящее время опреснение ограничено высоким потреблением энергии и высокими эксплуатационными расходами и затратами на техническое обслуживание. В этом исследовании предлагается новая концепция процесса бесконечного опреснения на основе полого волокна прямого осмоса (HFFO) с незначительным воздействием на окружающую среду (поступление свободной энергии без предварительной обработки или сброса рассола). Для оценки концепции было проведено исследование HFFO поэлементного масштаба как в обычном режиме FO, так и в режиме FO с давлением, имитируя работу HFFO в погруженном состоянии. В ходе испытаний HFFO исследовалось влияние нескольких условий эксплуатации на производительность HFFO, чтобы выбрать лучший вариант. На основе этих результатов были рассчитаны затраты на электроэнергию и сравнены с затратами на гибридный процесс обратного осмоса FO-морская вода (SWRO). HFFO показал высокую степень разбавления вытяжного раствора (примерно до 400%), что позволило последующему процессу SWRO работать при давлении 25 бар с тем же объемом производства пермеата (коэффициент извлечения 60%). Следовательно, процесс бесконечного опреснения на основе HFFO имеет годовой доход от энергии в размере 183,83 миллиона долларов США по сравнению с автономным двухступенчатым процессом обратного осмоса на базе установки производительностью 100 000 м3/день.

Поскольку мембранные процессы опреснения не подвергаются фазовому переходу, они привлекли внимание как экономически эффективные методы по сравнению с термическим опреснением и требуют относительно небольших затрат1,2. Эти методы позволяют постоянно получать воду высокого качества, а производительность легко регулировать. Однако загрязнение мембран, высокие затраты на использование химикатов и эксплуатационные расходы остаются критическими проблемами3,4. Среди доступных в настоящее время процессов опреснения на основе мембран, процесс обратного осмоса (RO) является самостоятельным процессом, и его доля на рынке опреснения морской воды быстро растет. Однако потребление энергии в процессе обратного осмоса морской воды (SWRO) продолжает оставаться ограничением2,5.

Текущие затраты энергии в процессе SWRO намного ниже, чем в процессах термического опреснения (15,5 кВтч/м3 для многоступенчатого мгновенного испарения (MSF) и 7,5 кВтч/м3 для многоступенчатой ​​дистилляции (MED)). Несмотря на применение технологии внутреннего стадийного проектирования и разработку устройства рекуперации энергии, SWRO продолжает оставаться энергоемким (2,2–3,5 кВтч/м3) процессом6,7 по сравнению с традиционными процессами водоочистки, такими как мембранная очистка сточных вод. (0,29–0,43 кВтч/м3) и очистка воды озоном (0,041–0,073 кВтч/м3)8,9. Таким образом, опреснение на основе SWRO достигло теоретического и практического предела, и настало время для разработки процесса или внедрения дополнительных мер по снижению энергопотребления10,11. Ограничение энергии должно быть преодолено с помощью дополнительных технических решений, таких как сбор энергии, разбавление морской воды и необратимое сокращение10,12. Такое высокое потребление энергии во время опреснения вызывает экологические проблемы, такие как загрязнение воздуха и выделение тепла, связанное с охлаждением воды с использованием производства энергии из ископаемого топлива2,4. Было проведено несколько исследований для решения энергетической проблемы в процессе SWRO10,13,14. Другие мембранные процессы, такие как прямой осмос (FO)15, мембранная дистилляция (MD)16 и нанофильтрация (NF)6, были объединены, а морская вода прямо или косвенно смешана с другими доступными водными ресурсами для снижения энергетических затрат. процесс SWRO. Процесс SWRO также был гибридизирован с процессами производства энергии, включая осмос с замедлением давления (PRO)17, обратный электродиализ (RED)18 и микробный топливный элемент (MFC)19, чтобы компенсировать высокое потребление энергии.

Еще одним недостатком опреснения с использованием SWRO является производство рассола с высокой соленостью, который содержит коррозионные вещества, остатки химикатов предварительной и последующей обработки, ионные и тяжелые металлы, а также соли, которые вредны для окружающей среды при сбросе непосредственно в море5,20. Рассол также может напрямую влиять на эвтрофикацию и колебания pH в морской экосистеме. В нескольких исследованиях были предложены решения по снижению воздействия рассола. Во-первых, для минимизации сброса (выброса) рассола была применена технология нулевого сброса жидкости (ZLD), которая восстанавливает 100% воды и перерабатывает полезные ресурсы рассола21. В этом случае были применены некоторые новые процессы последующей обработки, в том числе FO, PRO, MD, MED и омический испаритель, для очистки воды с высокой соленостью, снижения концентрации рассола и максимизации эффективности химического осаждения (извлечение ценных ресурсов). 22,23,24. Однако технология ZLD слишком дорога, чтобы ее можно было использовать на полномасштабной опреснительной установке25.