Latar belakang teknis
Dalam beberapa tahun terakhir, kekurangan air dan polusi telah menjadi masalah utama yang menghambat perkembangan masyarakat. Cara menggunakan teknologi pengolahan air yang efisien untuk memperoleh air tawar dari air laut dan air payau, serta mendaur ulang air limbah industri, merupakan kunci penyelesaian krisis air.
Sebagai teknologi pengolahan air yang efisien, teknologi pemisahan membran memiliki karakteristik efisiensi tinggi, pengoperasian berkelanjutan, dan pengendalian yang kuat, serta banyak digunakan di bidang desalinasi air laut dan pengolahan air limbah industri.
Namun teknologi seperti elektrodialisis (elektrodialisis) dan reverse osmosis (RO) dalam teknologi pemisahan membran masih mempunyai kendala seperti tingkat pemanfaatan termal yang rendah, konsumsi energi yang tinggi, tekanan kerja yang tinggi, dan polusi sekunder. Oleh karena itu, teknologi pemisahan membran baru telah mendapat perhatian luas.
RINGKASAN
Teknologi distilasi membran (MD) merupakan teknologi pemisahan membran termal suhu rendah yang dikembangkan dengan pengembangan desalinasi membran reverse osmosis. Sebagai teknologi membran penggerak panas jenis baru, ia memiliki prospek penerapan yang baik di bidang pengolahan air limbah industri karena kondisi pengoperasiannya yang ringan, laju produksi air yang tinggi, kinerja pemisahan yang baik, dan penggunaan panas limbah industri. Pada saat yang sama, dibandingkan dengan teknologi membran tradisional yang digerakkan oleh tekanan seperti nanofiltrasi dan osmosis balik, distilasi membran tidak memerlukan air mentah berkualitas tinggi. Saat mengolah air limbah dengan konsentrasi tinggi dan sulit terurai, air keluaran berkualitas tinggi dapat diperoleh, dan telah digunakan untuk mengolah air limbah industri pada umumnya.
PRINSIP
Distilasi membran secara sederhana dapat dianggap sebagai kombinasi teknologi pemisahan membran dan distilasi. Merupakan proses pemisahan yang menggunakan membran mikropori hidrofobik sebagai media pemisahan dan menggunakan perbedaan tekanan uap pada kedua sisi membran sebagai tenaga penggerak. Satu sisi membran bersentuhan langsung dengan cairan mentah. Melalui perbedaan suhu di kedua sisi membran, antarmuka gas-cair terbentuk pada permukaan pori-pori membran hidrofobik. Air cair menguap menjadi uap dan melewati pori-pori membran, mengembun menjadi air suling di sisi lain membran. Zat non-volatil yang dilarutkan dalam air tidak akan bermigrasi bersama uap air, sehingga mencapai pemisahan, konsentrasi, dan pemurnian cairan umpan.
Inti dari proses distilasi membran adalah proses perpindahan panas dan perpindahan massa, dan pada distilasi membran perpindahan panas dan perpindahan massa terjadi secara bersamaan.
Metode aliran gas berkecepatan tinggi melalui ruang fase gas untuk mengambil uap jenuh dan kemudian mengembun disebut distilasi membran penyapu gas, dan metode mengekstraksi uap dari ruang fase gas melalui vakum dan mengembunkannya disebut vakum. distilasi membran;
Metode mengalirkan air pendingin secara langsung melalui ruang fase uap untuk menyerap uap jenuh disebut distilasi membran kontak langsung;
Metode penggunaan air pendingin melalui penukar panas untuk secara instan mengembunkan uap jenuh dalam ruang fase uap disebut distilasi membran celah udara.
MENGGOLONGKAN
Selama proses distilasi membran, satu sisi membran bersentuhan langsung dengan cairan umpan, dan sisi lainnya dapat dibagi menjadi empat bentuk berbeda sesuai dengan metode kondensasi yang berbeda (lihat Gambar 1): distilasi membran kontak langsung (DCMD) , distilasi membran celah udara (AGMD), distilasi membran sapuan gas (SGMD), dan distilasi membran vakum (VMD).
Kedua sisi membran DCMD masing-masing bersentuhan dengan cairan umpan dan air pendingin yang bersirkulasi. Perbedaan tekanan uap yang dibentuk oleh perbedaan suhu transmembran mendorong seluruh proses pemisahan membran, dan uap air yang meresap terkondensasi dalam sirkulasi air pendingin.
AGMD mirip dengan DCMD, tetapi pelat kondensasi ditambahkan antara sisi panas membran dan sirkulasi air pendingin, dengan celah udara pendingin di tengahnya. Setelah uap air melewati membran, ia mengembun di pelat pendingin dan dikumpulkan.
SGMD secara langsung menggunakan gas kering untuk terus membersihkan sisi perembesan membran distilasi, dan uap air yang meresap dikeluarkan dari alat distilasi membran dan dikondensasi serta dikumpulkan.
VMD menggunakan pompa vakum untuk memompa sisi permeasi hingga membentuk ruang hampa tertentu, dan uap air diekstraksi dan didinginkan setelah melewati membran.
KEUNTUNGAN
(1) Proses distilasi membran dilakukan hampir pada tekanan normal, dengan peralatan sederhana dan pengoperasian yang mudah. Hal ini juga dimungkinkan untuk diterapkan di area dengan kekuatan teknis yang lemah;
(2) Dalam proses distilasi membran larutan berair zat terlarut yang tidak mudah menguap, karena hanya uap air yang dapat melewati pori-pori membran, maka distilatnya sangat murni, yang diharapkan menjadi cara yang efektif untuk penyiapan skala besar dan berbiaya rendah. air ultra murni;
(3) Proses ini dapat mengolah larutan berair dengan konsentrasi sangat tinggi. Jika zat terlarut merupakan zat yang mudah mengkristal, larutan dapat dipekatkan hingga mencapai keadaan jenuh berlebih dan akan terjadi kristalisasi distilasi membran. Ini adalah satu-satunya proses membran yang dapat secara langsung memisahkan produk kristal dari larutan;
(4) Komponen distilasi membran dapat dengan mudah dirancang menjadi bentuk pemulihan panas laten dan memiliki fleksibilitas untuk membentuk sistem produksi skala besar dengan komponen membran kecil yang efisien;
(5) Dalam proses ini, larutan tidak perlu dipanaskan hingga titik didih. Selama perbedaan suhu antara kedua sisi membran dijaga dengan baik, proses dapat dilakukan. Dimungkinkan untuk menggunakan energi murah seperti energi matahari, energi panas bumi, sumber air panas, panas limbah pabrik, dan air limbah industri hangat.
APLIKASI
1. Air limbah petrokimia
Proses pengolahan air limbah petrokimia tradisional - proses "tiga set lama", yaitu "pemisahan-koagulasi-filtrasi minyak" atau "pemisahan-flotasi-filtrasi minyak", sulit untuk memenuhi standar reinjeksi limbah untuk kualitas air yang diolah. Saat ini, reverse osmosis (RO) dan proses oksidasi lanjutan (AOP) telah digunakan untuk pengolahan air limbah petrokimia, tetapi RO memiliki konsumsi energi yang tinggi, persyaratan kualitas air influen yang tinggi, dan tingkat pemulihan air keluaran yang rendah. Teknologi AOP yang diwakili oleh Fenton memerlukan penambahan bahan kimia sehingga menghasilkan lumpur dalam jumlah besar. Dibandingkan dengan teknologi desalinasi tradisional, distilasi membran dapat mengolah air limbah dengan TDS hingga 350,000 mg/L, dapat beroperasi pada tekanan yang lebih rendah, dan memiliki kemampuan beradaptasi yang lebih baik terhadap air limbah petrokimia.
Penerapan teknik tertentu menunjukkan bahwa laju desalinasi DCMD dalam mengolah air limbah petrokimia yang sangat termineralisasi mencapai 99%, dan secara efektif dapat menghilangkan polutan lain seperti karbon organik. Namun distilasi membran memiliki konsumsi energi yang tinggi dan tidak seekonomis RO. Dibandingkan dengan teknologi membran yang digerakkan oleh tekanan (seperti RO), distilasi membran memiliki kecenderungan skala yang lebih rendah, namun skala membran dan pembasahan membran akan menyebabkan penurunan laju produksi air dan kualitas air, terutama dalam kondisi pemulihan yang tinggi. Untuk menunda pembasahan membran, membran distilasi dapat dimodifikasi untuk meningkatkan sifat anti-fouling dan anti-pembasahan membran.
2. Air limbah desulfurisasi dari pembangkit listrik tenaga batubara
Metode pengolahan konvensional untuk air limbah desulfurisasi meliputi metode fisik, kimia dan biologi. Diantaranya, metode kimia sering digunakan untuk menghilangkan SS dan logam berat, namun ketika kualitas air dan volume air sangat berfluktuasi, efisiensi penyisihan metode ini tidak tinggi, dan Cl dan F- tidak dapat dihilangkan secara efektif. Ketika flokulasi digunakan untuk menghilangkan SS dan endapan logam, kecepatan pemisahannya lambat karena endapan logam seringkali berukuran submikron atau nanometer. Teknologi membran seperti mikrofiltrasi (MF) dan ultrafiltrasi (UF) telah digunakan untuk pengolahan air limbah desulfurisasi, namun air limbah yang diolah tidak dapat langsung dibuang atau digunakan kembali karena konsentrasi TDSnya yang tinggi. Distilasi membran tidak memerlukan air influen berkualitas tinggi, dan dapat secara efektif mengolah air limbah yang mengandung garam dengan konsentrasi tinggi. Hal ini semakin mendapat perhatian di bidang pengolahan air limbah desulfurisasi.
Penggunaan teknologi distilasi membran untuk mengolah air limbah desulfurisasi dapat memperoleh keluaran air berkualitas tinggi. Namun, karena adanya polutan energi permukaan yang rendah dalam air limbah, mudah menyebabkan pembasahan dan kontaminasi membran, yang akan menyebabkan penurunan kualitas air limbah, memperpendek masa pakai membran, dan meningkatkan biaya pengolahan.
Dalam beberapa tahun terakhir, sebagai respons terhadap masalah kontaminasi membran dan pembasahan membran, proses gabungan telah mendapat perhatian khusus. Penelitian telah menemukan bahwa menggabungkan distilasi membran dengan proses lain (seperti FO-MD) memiliki efek pengobatan yang lebih baik daripada teknologi distilasi membran tunggal, dan secara efektif dapat memperlambat kontaminasi dan pembasahan membran, serta meningkatkan masa pakai membran. Penelitian telah menunjukkan bahwa menggabungkan koagulasi magnetik kapur dan distilasi membran untuk pengolahan air limbah desulfurisasi dapat memperoleh air keluaran berkualitas tinggi, dan membran tidak menunjukkan pembasahan membran dalam pengoperasian jangka panjang.
3. Air limbah radioaktif
Saat ini, proses pengolahan air limbah radioaktif utama di negara saya adalah flokulasi presipitasi-evaporasi-pertukaran ion, di mana flokulasi presipitasi dan pertukaran ion akan menghasilkan polutan sekunder dalam jumlah besar, dan konsumsi energi dari konsentrasi penguapan terlalu tinggi. Penelitian telah menunjukkan bahwa teknologi membran yang digerakkan oleh tekanan seperti RO dapat secara efektif memisahkan zat radioaktif, namun efisiensi penyisihan RO untuk boron hanya 40% hingga 80%. Meskipun laju penghilangan asam borat dapat ditingkatkan dengan mengatur pH, karena efek buffering asam borat, sejumlah besar alkali perlu ditambahkan untuk penyesuaian guna meningkatkan salinitas boron, sehingga mengurangi keluaran air RO.
Untuk menghilangkan isotop radioaktif ion kecil dalam air limbah, perlu menggabungkan teknologi membran yang digerakkan oleh tekanan dengan kompleksasi kimia. Kuncinya terletak pada regenerasi zat pengompleks, dan diperlukan filtrasi tambahan. Ketika distilasi membran mengolah air limbah radioaktif, tekanan osmotik dan polarisasi konsentrasi memiliki pengaruh yang kecil terhadap fluks membran, dan dapat beroperasi pada salinitas tinggi.
The results show that when membrane distillation is used for radioactive wastewater treatment, the retention rate of radionuclides in wastewater is as high as 99%. Boric acid is an expensive filler in controlled pressure reactors. The use of hybrid membrane processes such as NF-VMD can achieve boric acid purification and meet the reuse requirements (boric acid concentration>40g/L). Selain itu, kelarutan asam borat berubah secara signifikan terhadap suhu. Kristalisasi distilasi membran (VMDC) dapat memanfaatkan sepenuhnya fitur ini untuk mengkonsentrasikan asam borat dalam air limbah.
Kontak antara membran distilasi dan zat radioaktif dapat dengan mudah merusak kestabilan membran bahkan menyebabkan membran terdegradasi. Oleh karena itu, membran distilasi harus memiliki ketahanan radiasi yang cukup. Penelitian telah menunjukkan bahwa modifikasi fluorinasi pada membran dapat meningkatkan ketahanan radiasi membran.
4. Air limbah kokas
Air limbah kokas memiliki bau yang menyengat dan mengandung sejumlah besar polutan beracun dan sulit terurai. Teknologi pengolahan tradisional terutama mencakup metode pengolahan fisik dan kimia, seperti ekstraksi pelarut senyawa fenolik dan pengupasan amonia, serta metode pengolahan biologis, seperti metode lumpur aktif. Namun air limbah yang diolah masih mengandung sejumlah besar garam dan senyawa yang dapat terurai secara hayati, seperti hidrokarbon aromatik polisiklik dan senyawa heterosiklik.
Setelah proses pretreatment seperti penghilangan minyak dan distilasi amonia, air limbah kokas masih dapat mempertahankan suhu sekitar 50 derajat, yang memberikan kondisi yang menguntungkan bagi distilasi membran untuk menggunakan panas limbah industri untuk mengolah air limbah kokas. Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan teknologi distilasi membran pada pengolahan air limbah kokas secara bertahap menjadi pusat penelitian. Hasil penelitian menunjukkan bahwa distilasi membran memiliki efisiensi penghilangan zat-zat non-volatil yang tinggi, dan tingkat penghilangan polutan dalam air limbah sebagian besar di atas 98%.
Namun, polutan hidrofobik dalam air limbah, seperti hidrokarbon aromatik dan senyawa heterosiklik, menunjukkan afinitas yang kuat terhadap membran hidrofobik, yang dapat dengan mudah menyebabkan pembasahan membran dan pengotoran membran. Sifat anti-fouling dan anti-pembasahan membran dapat ditingkatkan dengan melakukan pengolahan awal air limbah atau memodifikasi membran.
5. Air limbah farmasi
Dalam teknologi membran, RO memiliki efek pengolahan yang baik pada air limbah farmasi, namun konsumsi energinya tinggi, dan RO memiliki efek pengolahan yang buruk pada senyawa netral molekul rendah seperti N-nitrosodimethylamine (NDMA). Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi distilasi membran secara bertahap telah digunakan untuk pengolahan air limbah farmasi. Dalam literatur, distilasi membran digunakan untuk pengolahan air limbah farmasi, dan tingkat penghilangan obat seperti antibiotik dan senyawa fenolik dalam air limbah bisa mencapai 99%. Namun, zat hidrofobik dalam air limbah mudah terskala pada permukaan membran, sehingga mengurangi fluks membran. Pra-pengolahan air limbah seperti flokulasi dan presipitasi, dikombinasikan dengan distilasi membran, dapat secara efektif mengurangi kerak membran dan meningkatkan laju penghilangan obat dalam air limbah farmasi. Selain itu, menggabungkan proses lain dengan distilasi membran (seperti proses penggandengan MBR-MD) dapat secara efektif menghilangkan sisa obat dalam air limbah.
PROSPEK
Teknologi distilasi membran telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir dan mulai digunakan untuk mengolah air limbah industri seperti air limbah petrokimia, air limbah desulfurisasi dan air limbah kokas, namun menghadapi banyak masalah seperti tingkat pemanfaatan panas yang rendah, biaya membran yang tinggi, polusi membran dan mengompol.
Diperlukan penelitian lebih lanjut dari aspek-aspek berikut:
① Mengurangi konsumsi energi sistem distilasi membran, meningkatkan efisiensi pemanfaatan panas, dan melakukan penelitian lebih lanjut tentang energi surya, panas bumi, dan teknologi penggandengan lainnya dengan distilasi membran;
② Mengembangkan bahan membran baru, merancang komponen membran yang terdiversifikasi, dan meningkatkan fluks membran;
③ Untuk mekanisme pembentukan dan tindakan pencegahan kerak membran, pengaruh karakteristik pengotoran, karakteristik membran, lingkungan pengoperasian dan karakteristik material terhadap mekanisme pembentukan pengotoran dapat dibahas secara mendalam;
④ Saat ini hanya ada sedikit penelitian mengenai penilaian siklus hidup distilasi membran.
Oleh karena itu, melakukan penilaian siklus hidup sistem distilasi membran juga merupakan salah satu arah penelitian di masa depan.
