Cum funcționează: principiile de filtrare și compoziția sistemului de membrane ceramice pentru separarea uleiului și apei

1. În primul rând, risipește o intuiție: neînțelegerea „sită”.

Mulți oameni, când văd pentru prima dată membranele ceramice pentru îndepărtarea uleiului, le consideră intuitiv „o sită”-uleiul este mare, apa este mic, astfel încât uleiul este reținut și apa trece prin ele. Această analogie nu este greșită, dar ratează jumătatea cea mai critică: în apele reziduale uleioase, ceea ce este cu adevărat greu de reținut nu sunt picăturile mari de ulei, ci uleiul emulsionat submicron stabilizat de agenți tensioactivi; ceea ce determină cu adevărat succesul sau eșecul nu este, de asemenea, „dacă porii sunt suficient de mici”, ci „dacă uleiul va murdări membrana și, odată murdară, dacă poate fi curățată”. Pentru a explica clar cummembrane ceramice pentru separarea apei uleioasede lucru, trebuie să începeți cu acțiunea lor de bază{0}}filtrarea-cu fluxuri încrucișate.

2.Filtrare-cu flux încrucișat: nu „Dead-End”, ci „Flowing While Scouring”

Filtrarea cu flux-încrucișat este complet diferită de „filtrarea-fundă” folosită acasă pentru a filtra laptele de soia. În filtrarea-fundă, lichidul de alimentare este împins direct pe suprafața membranei și atât apa, cât și uleiul lovesc în aceeași direcție; uleiul se adună rapid într-o prăjitură pe suprafața membranei, iar fluxul cade în prag-ca o stâncă. În filtrarea cu flux-încrucișat, lichidul de alimentare curge „în lateral” de-a lungul suprafeței membranei cu viteză mare; apa este condusă de presiune să treacă vertical prin membrană și să devină permeat limpede, în timp ce picăturile de ulei și contaminanții sunt în mod continuu îndepărtate de această forță de forfecare paralelă cu suprafața membranei și descărcate cu concentratul. Cu alte cuvinte, membrana nu „prinde” pasiv contaminanții; „alungă în mod activ contaminanții”. Acest lucru este deosebit de critic pentru apele reziduale uleioase: odată ce uleiul se răspândește pe suprafața membranei, este extrem de dificil de îndepărtat, iar forfecarea-cu curgerea transversală este tocmai prima linie de apărare împotriva răspândirii uleiului. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care tratarea apelor reziduale uleioase folosește aproape invariabil flux-încrucișat, mai degrabă decât punctul mort-.

Figura: fluxul tipic de proces al unui sistem de separare a uleiului cu membrană ceramică-: apa brută uleioasă intră în modulul membranei după pretratare; sub forfecare cu curgere transversală, lichidul limpede pătrunde prin membrană pentru a deveni apă produsă, în timp ce uleiul concentrat și contaminanții sunt evacuați din partea concentratului, iar sistemul poate fi conectat la osmoză inversă din aval sau la o etapă de tratament biologic.

2.1 Polarizarea concentrației și fluxul critic

Filtrarea cu-flux încrucișat aduce și două concepte care trebuie înțelese; altfel, multe fenomene de câmp nu pot fi explicate. Prima este polarizarea concentrației: apa trece prin membrană, în timp ce uleiul și solidele în suspensie sunt reținute lângă suprafața membranei; cu cât este mai aproape de suprafața membranei, cu atât concentrația este mai mare, formând un gradient de concentrație. Acest gradient crește rezistența la penetrare și reduce fluxul, dar este el însuși reversibil; odată ce forfecarea-fluxului transversal subțiază stratul limită, fluxul se poate recupera. Al doilea este fluxul critic: există un prag de flux sub care murdărirea se acumulează lent și sistemul rămâne stabil pe termen lung; deasupra acestuia, murdărirea se intensifică rapid și curățarea devine frecventă. În inginerie, este mai bine să operați ușor sub fluxul critic decât să urmăriți un flux temporar ridicat. Aceste două concepte sunt cheia pentru înțelegerea „de ce membranele ceramice au nevoie de flux-încrucișat” și „de ce nu se poate menține pur și simplu presiunea în creștere” și explică, de asemenea, de ce explorarea la scară-pilot este deosebit de importantă pentru sistemele de ape uzate uleioase.

3.Microfiltrare și ultrafiltrare: la ce scară este reținut uleiul?

Deci, la ce scară rețin membranele uleiul? Acest lucru se reduce la diviziunea muncii între microfiltrare (MF) și ultrafiltrare (UF). MF are pori relativ mai mari și reține în principal solidele în suspensie, picăturile mari de ulei și o porțiune de ulei dispersat; UF are pori mai fine, care se încadrează chiar în intervalul de dimensiuni ale picăturilor de ulei emulsionat și este principala forță pentru reținerea uleiului emulsionat submicron. Intervalele de microfiltrare și ultrafiltrare utilizate în mod obișnuit în membranele ceramice sunt tocmai nemesisul „cele mai fine porțiuni de ulei” din apele uzate uleioase. Tabelul de mai jos enumeră diferențele calitative dintre cele două pentru a vă ajuta să determinați mai întâi „în ce măsură uleiul este reținut” în timpul selecției.

3.1 Dimensiunea porilor nu este cu atât mai mică, cu atât mai bine

Trebuie remarcat faptul că dimensiunea porilor nu este mai mică cu atât mai bine. Cu cât membrana este mai densă, cu atât este mai mare rezistența la pătrunderea apei, cu atât este mai mare consumul de energie și cu atât este mai ușor astupată prin punți de contaminanți fini. În inginerie, principiul este „doar suficient”: utilizați mai întâi pretratarea pentru a îndepărta particulele mari și uleiul liber, apoi lăsați ultrafiltrarea ceramică să se concentreze pe tratarea celui mai dificil ulei emulsionat, în loc să vă așteptați ca o singură membrană să facă totul. Acesta este, de asemenea, cel mai esențial concept de „înscenare” în proiectarea sistemului de membrane ceramice pentru tratarea apelor uzate uleioase.

4.De la o singură membrană la un sistem complet

Scalarea unei singure membrane până la un sistem complet nu este de fapt misterioasă în compoziție, dar fiecare parte are particularitățile sale. Prima parte este modulul de membrană și elementul de membrană. Membranele ceramice apar în cea mai mare parte ca elemente tubulare de tip fagure multi-canal; lichidul de alimentare curge prin canale, iar apa pătrunde prin peretele tubului-această structură este rezistentă la murdărie-și ușor de curățat, ceea ce o face deosebit de potrivită pentru apa murdară. A doua parte este pompa de alimentare și bucla-de curgere transversală, care oferă două lucruri: diferența de presiune transmembranară necesară pentru a împinge lichidul de alimentare prin membrană și viteza de forfecare necesară la suprafața membranei; dacă viteza de forfecare este insuficientă, uleiul se va lipi de membrană. A treia parte este colectarea părții lichide limpezi și a părții concentrate; lichidul limpede merge spre reutilizare sau în procese din aval, iar apa concentrată este evacuată cu ulei. A patra parte este unitatea de curățare (CIP), care este arma secretă care face membranele ceramice „durabile în utilizare”-poate spăla înapoi fluxul cu acid și alcali înainte ca murdărirea să se acumuleze până la punctul de a afecta funcționarea.

La nivelul modulului de membrană, forma membranelor ceramice este de obicei elemente tubulare sau fagure cu mai multe canale, mai degrabă decât foi plate sau fibre goale. Avantajele acestei forme sunt simple: viteză mare de curgere și forfecare puternică în interiorul canalelor, ceea ce o face deosebit de potrivită pentru apa murdară; odată ce peretele tubului aderă solzi sau ulei, acesta poate fi curățat online cu bile mecanice de burete, ceea ce membranele organice nu pot face; deși densitatea de ambalare nu este la fel de mare ca cea a fibrelor goale, ceea ce se câștigă în schimb este rezistența la înfundare, ușurința de curățare și durata de viață lungă. Când selectați, trebuie să cântăriți fluxul, amprenta și confortul de curățare, mai degrabă decât să vă uitați la un singur articol. Pentru o „lucrare murdară” cum ar fi apele uzate uleioase, membranele ceramice tubulare sau cu mai multe-canaluri sunt adesea alegerea mai realistă.

Controlul murdăriei este linia principală zilnică a întregului sistem. În timpul funcționării normale, forfecarea cu flux-încrucișat asigură prevenirea murdării „online”; periodic, permeatul este utilizat pentru spălarea inversă pentru a împinge contaminanții de mică adâncime de pe suprafața membranei, realizând „recuperarea-pe termen scurt”; când spălarea inversă nu mai poate suprima scăderea fluxului, curățarea chimică (CIP) este activată, utilizând concentrații adecvate de acid, alcali sau oxidant pentru a dizolva și îndepărta nămolul de ulei organic, detartrajul și nămolul microbian. Motivul pentru care membranele ceramice îndrăznesc să folosească o curățare puternică este că materialele anorganice sunt robuste; dacă membranele organice ar fi curățate la fel de agresiv, acestea ar fi adesea deteriorate la fiecare curățare. Din acest motiv, murdărirea ireversibilă se acumulează lent în membranele ceramice, curba de scădere a fluxului este blândă, iar „predictibilitatea” operațională pe termen lung este mult mai bună decât cea a membranelor organice-aceasta este de o valoare enormă pentru liniile de producție care necesită o conformitate stabilă.

4.1 Strategia de curățare: CIP nu este „Clătire când este murdar”

În ceea ce privește strategia de curățare, CIP nu este la fel de casual ca „spălați-l când este murdar”. Curățarea alcalină vizează murdărirea cu ulei organic și slime biologic, curățarea acidă vizează detartrajul anorganic, iar oxidanții sunt utilizați pentru a ucide microorganismele și a descompune unele materii organice; secvența, concentrația, temperatura, timpul și viteza fluxului de circulație afectează toate eficacitatea recuperării și, de asemenea, afectează durata de viață a membranei. O abordare rezonabilă este să se stabilească înregistrări legate de „curățarea de flux-diferență de presiune-: monitorizarea de rutină a tendințelor fluxului normalizat și a diferenței de presiune transmembranară; odată ce declinul atinge o valoare relativă prestabilită, programați curățarea; iar după curățare, înregistrați rata de recuperare, optimizând astfel frecvența și substanțele chimice. Transformarea curățării din „după simț” în „după date” este cheia pentru a menține membranele ceramice utilizabile pe termen lung.

5. Clasificarea deformarii și „prescripțiile” corespunzătoare

Când vine vorba de curățare, nu se poate evita câte tipuri de murdărie există, deoarece murdărirea diferită necesită „prescripții” diferite. După sursă, acestea pot fi împărțite aproximativ în trei tipuri: murdărie organică, în principal filme de ulei, proteine ​​și metaboliți microbieni, de obicei îndepărtați prin curățare alcalină combinată cu agenți tensioactivi; detartraj anorganic, din calciu, magneziu, siliciu etc., în apă, dizolvat prin curățare acidă; și slime biologic, format prin proliferarea microbiană, controlată de oxidanți sau biocide. În funcționarea efectivă, cele trei coexistă și se întrepătrund adesea, astfel încât planul de curățare este adesea o chestiune de combinație și secvență de „oxidant-alcalin-, mai degrabă decât o singură substanță chimică. Pentru apele uzate uleioase, murdăria organică este principalul vinovat, iar curățarea alcalină este fundația; dar dacă duritatea influentului este mare, curățarea acidă este de asemenea indispensabilă. Numai judecând în mod clar tipul de murdărie și apoi discutând despre curățare, se poate curăța temeinic și se poate evita deteriorarea membranei-tocmai aici se află valoarea rezistenței chimice a materialelor cu membrane ceramice și este, de asemenea, zona care are nevoie de cel mai mult suport de date de teren la proiectarea unui sistem de curățare.

Figura: Comparația calitativă a evaluării dintre membranele ceramice și membranele organice polimerice în dimensiuni cheie, cum ar fi rezistența la murdărie, rezistența la temperatură, rezistența la curățare chimică, durata de viață și recuperarea fluxului (ilustrare relativă, nu valori specifice).

6. Poziția sa în întreaga linie de producție: Pretratament Gatekeeper

Privind sistemul de membrană din întreaga linie de producție, poziția sa este de obicei cea a unui „gardist de pretratare”. În amonte sunt pretratări, cum ar fi rezervoarele de separare a uleiului, flotarea aerului și de egalizare, responsabile de îndepărtarea mai întâi a majorității uleiului liber și a solidelor grele în suspensie, protejând membrana ceramică de a fi deteriorată de particule mari și de a fi orbită instantaneu de uleiul excesiv; în aval sunt tratate avansate pentru reutilizare-osmoza inversă se ocupă de desalinizare, schimbul de ioni se ocupă de înmuiere sau de îndepărtarea anumitor ioni, iar etapa biologică se ocupă de degradarea materiei organice dizolvate. Numai atunci când membranele ceramice îndepărtează uleiul la un nivel suficient de scăzut, aceste părți din aval pot funcționa cu liniște sufletească: membranele RO nu vor fi înfundate de ulei, rășinile nu vor fi otrăvite de ulei, iar rezervoarele biologice nu vor avea aerisirea etanșă de pelicule de ulei. Se poate spune că dacă această barieră cu membrană ceramică este ținută, stabilitatea întregului lanț de reutilizare din aval beneficiază, de asemenea.

Tabelul de mai jos rezumă unitățile cheie, funcțiile și preocupările de proiectare ale unui sistem de separare a uleiului-apei cu membrană ceramică, facilitând verificările configurației-la fața locului.

În acest moment, logica de lucru amembrane ceramice pentru separarea apei uleioasedevine clar: nu este un „filtru” izolat, ci un sistem de inginerie în miniatură de „prevenire a murdării în flux-încrucișat + reținere în etape + curățare recuperabilă + coordonare amonte/aval”. Înțelegerea acestui lucru este mai importantă decât memorarea oricărui parametru unic-deoarece atunci când apar probleme pe teren, de nouă ori din zece apar din „coordonarea sistemului” mai degrabă decât din „membrana în sine”.

7.Metodologie operațională: Bilanțul de apă în primul rând

La nivel operațional, se aplică în continuare metodologia verificată în mod repetat: mai întâi faceți un bilanț de apă pentru a clarifica volumele de apă și destinația concentratului; apoi clasificați calitatea apei pentru a determina ce formă de ulei predomină și ce prag de calitate a apei necesită în aval; în cele din urmă calculați perioada de rambursare și costul total de proprietate pentru a decide dimensiunea sistemului și strategia de curățare. Numai realizând cu fermitate acești trei pași mecanismul „cum funcționează” al membranelor ceramice se poate traduce cu adevărat în apă limpede stabilă și ulei recuperabil pe linia dumneavoastră de producție.