membrane technology for environmental improvement environmental sciences, winter-spring 2003/2004 j....
Post on 15-Jan-2016
217 views
TRANSCRIPT
Membrane technology for environmental improvement
Environmental Sciences, Winter-spring 2003/2004
J. Gilron,
Institutes for Applied Research
סתיו תשנ"ד 2
Lecture outline
• Principles of membrane separations - flux, selectivity concepts
• Survey of pressure driven water processes - applications
• Electrodialysis process - application
סתיו תשנ"ד 3
: של למטרות הפרדות
מים. 1 טיהוראויר. 2 טיהורבשפכים. 3 טיפולייצור. 4
ההפרדה להיות צריכה טובה ?כמה ? איתה לעשות מה פסולת זרם יש ?האם
? תופס מקום כמה ההפרדה צורכת אנרגיה כמה?הציוד
סתיו תשנ"ד 4
ממברנלית הפרדה של עקרון
Feed side, 1
Permeate Side, 2
A
B
B
BB
A
AA R
FJ
R
FJ ,
שטף משואתדרך
ממברנה:
מניע כח
אותו של למעבר הממברנה התנגדותמרכיב
סתיו תשנ"ד 5
פולימריים של כימיה
• או – גמיש השרשרת מבנה?קשיח
• מתחברות קבוצות(pendant groups ) – ? לא או פולריים? לא או הידרופילי
קטנים או ?גדולים
סתיו תשנ"ד 6
ממברנות של מבנה
סתיו תשנ"ד 7
אסימטריות ממברנות
סתיו תשנ"ד 8
Mechanisms of selectivity
• Size - sieving• Charge• chemical affinity - eg
hydrophobicity/hydrophilicity• hydration-dehydration of ions• dielectric effects
סתיו תשנ"ד 9
Membrane properties of importance, pressure driven processes
• Average pore size
• Pore size distribution - wide? Narrow?
• Porosity
• Membrane thickness
• hydrophilicity-hydrophobicity of surface, matrix
• surface roughness
סתיו תשנ"ד 10
ממברנות של יתרונות
ההפרדה • חדות• ” שינוי ) אין כ בד נמוכה יותר אנרגיה בעלות הפרדה
(פאזותמתונים • ובתנאים הזרם חימום בלי הפרדותרציף • תהליך מאפשרמודולרי - • מאוד לגמלון וגמיש קל• ” הממברנה תכונות שינוי י ע ההפרדה גיווןכימיקלים • בתוספת צורך איןלהכלאה • ניתן
ממברנות של מגרעותואילוח • ריכוזים קיטובבתעשיה • ממברנה של חיים אורך
סתיו תשנ"ד 11
Comparison of membrane module geometries
Tubular Capillary Plate-and-FrameSpiral Wound
Characteristic flow diameter, mm 4 - 35 0.5-1.5 0.5 - 1 0.5 - 1Cost/Area High Low High LowMembrane replacemeetn High Moderate Low Moderate/lowFlux, L/M2h Good Good Low LowPacking density, m2/m3 poor excellent Good/fair GoodHoldup volume High low medium mediumEnergy consumption high low medium mediumFouling Resistance Excellent Good/fair Good/fair MediumCIP Excellent Good Fair/poor Fair/poorTable 10.9 in Ch. 10 Ultrafiltration, Water Treatment, Membrane Processes, Maillevialle, J. et al., McGraw-Hill 1996.
סתיו תשנ"ד 12
MembraneFeed-water
QF
CF
PermeateQP
CP
ConcentrateQcCc
P
QF = QP + QcQF*CF = QP*CP + Qc*CcRecovery = (QP/QF)*100 [%]Rejection = (1-CP/CF)*100 [%]
מאזני חומר בתהליך מונע לחץ
76עמוד
סתיו תשנ"ד 13
(recovery , stage cut )יחס השבה
Qf , Qr
Qp
f
p
Q
QY or
סתיו תשנ"ד 14
שבר של מרכיב המוצר : ( YIELDניצולת )שמושב בזרם המוצר
ff
streamprodiii QC
QCY
סתיו תשנ"ד 15
Each unit operation
• Principle of operation• Flux equation and selectivity• Materials and modules usually used• Applications at least one:
– description of feed, concentrate and permeate
– Operating costs, energy, area required
• RO, NF, ED, UF/MF, PV
סתיו תשנ"ד 16
1 bar = 105 N/m2 = 105 pascal = 100 Kpa = 14.5 psi
A = angstrom = 10-4 m = 10-10 m Typical size of materials separatedPollen 100 mStarch 10 mBacteria 1 mVirus 0.05 mAlbumin 100 AGlucose 10 ANa+, Cl- 1 A
78עמוד
סתיו תשנ"ד 17
Membrane processes
Process DrivingForce
Typical Flux Separation mechanism
MF Pressure(0.1-3 bar)
100 – 1000 L/M2-Hr Size
UF Pressure(0.35 – 5bar)
30 – 300 L/M2-Hr Size
NF Pressure(6-10 bar)
20 – 150 L/M2-Hr Solution/ diffusion/hydration
RO Pressure (7– 70 bar)
10 – 35 L/M2-Hr Solution/ diffusion/hydration
ED Electrical(1-2 V/CP)
10 – 50 mA/cm2 Charge
סתיו תשנ"ד 18
Osmosis Equilibrium Reverse osmosis
P < o P = o Pa > o
Osmotic pressure Applied
Pressure P o Pa
Fresh Saline Fresh Saline Fresh Saline
אוסמוזה ואוסמוזה הפוכה
77עמוד
סתיו תשנ"ד 19
תהליכים של שטף משואותממברנליים
PR
Jwm
1)( 2,1, SsS CCBJ RO,
NF
mV R
PJ
MF, UF 2
8
rRm
)( 2,1, iii PPSDJ GS, PV
CPion R
E
FJ
1ED
סתיו תשנ"ד 20
לסלקטיביות :ביטויים
• Liquid separations (RO, NF)
R = 1 - Cp/Cf
• Liquid separations (UF/MF)
• Gas separations and pervaporation
• Electrodialysis
tj = Ij/It
B
A
P
Por
/
/
BA
BA
xx
yy
ismsmicroorganor particles ofion concentrat theis C wherelogp
f
C
CLRV
סתיו תשנ"ד 21
לחץ מונעי במים הפרדה תהליכי
סתיו תשנ"ד 22
RO/NF
• Membranes: – RO – polyamide (TFC), cellulose acetate (asymmetric)– NF – same, + polypiperazine, PVA
• Modules: – RO – SW, PF (special)– NF – SW, PF (special), HF (new development)
• Selectivities:– R(NaCl) = >98% RO, 20-90% (NF)– R(divalent)- >99% RO, >95% (NF)– MWCO – 200 -1000 (NF)
סתיו תשנ"ד 23
RO – NF -יישומיםRO APPLICATIONS
Purpose Solvent SoluteDrinking waterDesalination Purification Water salt seawater, brackish water as propuct
Highly pure waterBoiler feed water Purification Water Si, Fe, other saltsSemi-conductor industry Purification Water all solutes
FoodDairy Concentration of milk Water protein, salts, lactoseBeverage Improve/uniform water qualityWater salts, organicsCorn Steep Liquor COD removal Water COD
NF ApplicationsDrinking water Softening Water hardness, other heavy metals Organics removal Water THM
Manufacturing Product Recovery Dye recovery Desalting and concentrationWater+salt Pharmaceuticals Desalting Water+salt
Concentration Solvent product
סתיו תשנ"ד 24
אלקטרודיאליזה
• Ion exchange membranes – AEM quaternary amines, CEM – carboxylates, sulfonates
• Plate and frame stacks
סתיו תשנ"ד 25
Product water
BrineAnode
Cathode
CationPermeablemembrane permeable
membrane
Saline feed water
+ + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + - - - - - - -
A A AC C C
אלקטרו-דיאליזה
AnionCation
77עמוד
סתיו תשנ"ד 26
תהליכים של שטף משואותממברנליים
PR
Jwm
1)( 2,1, SsS CCBJ RO,
NF
mV R
PJ
MF, UF 2
8
rRm
)( 2,1, iii PPSDJ GS, PV
CPion R
E
FJ
1ED
סתיו תשנ"ד 27
לסלקטיביות :ביטויים
• Liquid separations (RO, NF)
R = 1 - Cp/Cf
• Liquid separations (UF/MF)
• Gas separations and pervaporation
• Electrodialysis
tj = Ij/It
B
A
P
Por
/
/
BA
BA
xx
yy
ismsmicroorganor particles ofion concentrat theis C wherelogp
f
C
CLRV
סתיו תשנ"ד 28
אלקטרודיאליזה , המשך
Pump: 0.5 - 1.1 kWh/m3 product waterMembrane stack: 0.7 kWh/m3 - product water/ 1000 mg/L TDS removedPower losses: about 5% of total energy used
Suffolk Virginia
Capacity, m3/day 10,785Recovery 95%TDS feed 563Fluoride, feed 4.77 exceeds maximum permittedTDS productTDS concentratePretreatment cartridge filtersInstalled 1990Operating Costs: 0.26 $/m3 product
סתיו תשנ"ד 29
אנרגיה סגולית של תהליךrateproduction
PowerEsp
• Pressure driven processes (filtration)
• Electrically driven process
recycle) (no
rate production
Y
P
Q
QPE
QQPPower
p
fsp
pf
recycle) (no
rate production
Dsp
D
Q
IE
QIPower
סתיו תשנ"ד 30
Comparison of RO and EDR
Issue RO EDR
Removal of nonionic contaminants + -Susceptibility to fouling - +Extent of pretreatment - +Recovery +Energy efficiency on highly saline feeds + -Availability of many vendors - price competition + -
+ means preferred process with respect to this issue
סתיו תשנ"ד 31
Desalination technologies: Relative advantages/disadvantages
Process Driving Force
Energy source Energy cost, kwh/m3
Typical recoveries
Scale Quality
RO P Electric, solar 0.25 - 1.85 75-85% small - large 100-400 ppm
ED Electric, solar
0.7 kwh/m3 + 0.4-1 kwh/kg salt 85 - 97% small - medium 50-400 ppm
Thermal Fossile fuel, waste heat , solar
MSF 2.38 - 3.96 50%-75% large <50 ppm
MED 0.75 - 1.75 50%-75%
Medium- large (5000 m3/d multiples) <50 ppm
VCF 8.2 - 12.3 50%-75% small-medium <50 ppm
סתיו תשנ"ד 32
לחץ מונעי במים הפרדה תהליכי
סתיו תשנ"ד 33
, מיקרופילטרציה - UFאולטרה-פילטרציה MF
• Membrane materials – polysulfone, PVDF, PAN, polyolefins, ceramics
• Membrane structure – asymmetric (UF), asymmetric or symmetric (MF)
• Module geometries – HF (0.8 – 1.1 mm ID), SW, P&F• Operational modes – deadend or semi-deadend (drinking
water, MBR), crossflow (process)• Applications – bioseparations - cell harvesting (MF),
protein concentration and purification (UF), dye and textile reagent recovery,
• food processing – whey protein concentrate (UF), clarification and cold sterilization of beverages (MF
סתיו תשנ"ד 34
תהליכים של שטף משואותממברנליים
PR
Jwm
1)( 2,1, SsS CCBJ RO,
NF
mV R
PJ
MF, UF 2
8
rRm
)( 2,1, iii PPSDJ GS, PV
CPion R
E
FJ
1ED
סתיו תשנ"ד 35
לסלקטיביות :ביטויים
• Liquid separations (RO, NF)
R = 1 - Cp/Cf
• Liquid separations (UF/MF)
• Gas separations and pervaporation
• Electrodialysis
tj = Ij/It
B
A
P
Por
/
/
BA
BA
xx
yy
ismsmicroorganor particles ofion concentrat theis C wherelogp
f
C
CLRV
סתיו תשנ"ד 36
שתיה – מזהמים : מי
•: אורגניזמים- , מיקרו מ ציסטות פרוטוזואהחיידקים ) , ' וירוסים) קריפטוספורידיום יררדיה ג
•DBP – - חומרים סילוק מחיטוי לואי תוצריהומיות – חומצות אורגניים
נדיפים • אורגניים חומריםהדברה • חומריכבדות • מתכותמלחים•
סתיו תשנ"ד 37
במים לטיפול תהליך בחירת
From National Drinking Water Clearinghouse
סתיו תשנ"ד 38
From National Drinking Water Clearinghouse
סתיו תשנ"ד 39
שהם המזהם לפי תהליכים סיווגמסלקים
Type of Target Pollutant Candidate ProcessesVolatile compounds PervaporationSalinity, nitrates RO, ED/EDRHardness, heavy metals RO, ED, NFSpecific organic compounds, natural organic matter (NOM)
NF, AC-UF, Coagulation-MF, membrane bioreactor (MBR)
microbial contaminants, viruses UF, coagulation-MFMicrobial contaminants, SS UF, MF
סתיו תשנ"ד 40
Applications of membrane processesProcess Water Treatment application
MF Girardia removal, some bacteria partial virus, pretreatment
UF Microorganisms, viruses, oil, marcomolecules, pretreatment
NF Softening, ion and heavy metal removal , partial desalting, THM, DBP removal
RO Desalination ,
ED Nitrate removal, desalting of moderate salty soln
PV Water/organics, volatiles from water
Membrane contactor Hydrocarbons, metals from water
Gas Sep Sour gases, vapor from air
סתיו תשנ"ד 41
Heavy metal containing stream
Precipitation
Metalppt.
PermeateWater
Microfiltration
Surfactant /Polymer Recycle
Surfactant orPolymeric
Chelates AddedPermeate
Water
BreakComplex
Metals
Ultrafiltration
Dilute Waste;
Waste Containing High NaCl,or Metal Chelate Permeate Containing
High NaCl
Conc. MetalNanofiltration
RO Conc. Metals
Permeate for Recycle
Functionalized Sorbent
Recovered Solid or Liquid by Regeneration
High Quality Permeate
ED
Ion Free Water
Concentrated Metals
Various Membrane-Based Processing Schemes for Metal Recovery and Water ReuseFrom D.B.Bhattacharyya et al., 1999. Eng Foundation Conference.