Doğrudan Temaslı Membran Damıtma
- GiriÅŸ
- Ä°ÅŸlem Fonksiyonu
- Avantajlar ve Dezavantajlar
- Ä°ÅŸlem Endüstrisi Uygulamaları
1) GiriÅŸ
Membran Damıtma (MD), hidrofobik membranlar kullanan, termal olarak yönlendirilen bir taşıma iÅŸlemidir. Yöntemdeki itici güç, membran gözeneklerinin iki tarafı arasındaki buhar basıncı farkıdır ve bu da uçucu çözelti bileÅŸenlerinin (örneÄŸin su) kütle ve ısı transferine olanak tanır. MD'nin basitliÄŸi ve atık ısı ve/veya güneÅŸ ve jeotermal enerji gibi alternatif enerji kaynaklarını kullanabilmesi, MD'nin entegre sistemlerde diÄŸer iÅŸlemlerle birleÅŸtirilmesini saÄŸlayarak onu umut vadeden bir ayırma tekniÄŸi haline getirir.
Åžekil 1, AB'de endüstriyel sektör başına atık ısı potansiyeli (%), Büyük Avrupa endüstrilerinde atık ısı potansiyelinin ön deÄŸerlendirmesi (2107)
2) Proses Fonksiyonu
Åžekil 2, MD prosesinin basitleÅŸtirilmiÅŸ ÅŸematik gösterimi.
MD prosesinin itici gücü, membran boyunca oluÅŸan sıcaklık farkından kaynaklanan buhar basıncı farkıdır. Ä°tici güç saf bir termal itici güç olmadığı için, MD, geleneksel termal damıtmadan çok daha düÅŸük bir sıcaklıkta (30-60°C) gerçekleÅŸtirilebilir. Membranın hidrofobik yapısı, yüzey gerilimleri nedeniyle su moleküllerinin giriÅŸini engeller. Ancak bu durum, basınç farkı oluÅŸturan ve membran gözenek sisteminden geçerek membranın karşı tarafındaki soÄŸuk tarafta yoÄŸunlaÅŸan su buharları için geçerli deÄŸildir. Proses, besleme çözeltisinden yaklaşık %85 su uzaklaÅŸtırır ve üç adımda özetlenebilir: (1) sıcak besleme çözeltisi-membran arayüzünde bir buhar boÅŸluÄŸunun oluÅŸumu; (2) buhar fazının mikrogözenekli sistemden taşınması; (3) SoÄŸuk taraf membran-geçirgen çözelti arayüzünde buharın yoÄŸunlaÅŸması.
Membran boyunca buhar basıncı farkının oluÅŸturulma ÅŸekli, MD modülü konfigürasyonu tarafından belirlenir. En yaygın kullanılan konfigürasyonda, doÄŸrudan temaslı membran damıtımında (DCMD), geçirgen taraf, membranla doÄŸrudan temas halinde olan bir yoÄŸunlaÅŸma sıvısından (genellikle temiz su) oluÅŸur. Alternatif olarak, buharlaÅŸan çözücü, bir hava boÅŸluÄŸu (AGMD) veya vakum (VMD) yoluyla membrandan ayrılabilen veya soÄŸuk, inert bir süpürme gazı (SGMD) yoluyla boÅŸaltılabilen bir yoÄŸunlaÅŸma yüzeyinde toplanabilir.
Åžekil 3, MD konfigürasyonları.
Membranın seçimi, MD ayırma performansında en önemli faktördür. Ä°ki yaygın membran konfigürasyonu türü vardır,
- Ä°çi boÅŸ lifli membran esas olarak polipropilen (PP), polivinilidenflorür (PVDF) ve PVDF - Politetrafloroetilen (PTFE) kompozit malzemeden hazırlanır
- Düz levha membran esas olarak PP, PTFE ve PVDF'den hazırlanır
PTFE en yüksek hidrofobikliÄŸe, iyi kimyasal ve termal kararlılığa ve oksidasyon direncine sahiptir, ancak en yüksek iletkenliÄŸe sahip olması PTFE membranlardan daha fazla ısı transferine neden olur (bu da sıcaklık farkını ve buhar transferini azaltır). PVDF iyi hidrofobikliÄŸe, termal dirence ve mekanik dayanıma sahiptir ve çok yönlü gözenek yapılarına sahip membranlar haline kolayca hazırlanabilir.
PP iyi termal ve kimyasal direnç gösterir.
Åžekil 4, Tuzlu Su Arıtma teknolojilerinin KWh/m3 cinsinden Özgül Enerji Tüketimleri (SEC) ile mg/L (ppm) cinsinden Maksimum TDS Kapasiteleri arasındaki iliÅŸki. Seri halinde Çok AÅŸamalı FlaÅŸ (MSF), Çok Etkili Damıtma (MED), Mekanik Buhar Sıkıştırma (MVC), Elektrodiyaliz/Elektrodiyaliz Tersine Çevirme (ED/EDR), Ä°leri Ozmoz (FO), Membran Damıtma (MD) bulunmaktadır. FO ve MD, Termal Enerji Taleplerinin %90'ına kadar atık ısıdan yararlanabilir.
3) Avantajlar ve Dezavantajlar
Avantajlar:
- DüÅŸük enerji gereksinimleri
- Konsantrasyon Polarizasyonundan fazla etkilenmez
- Uçucu olmayan bileÅŸenlerin %100 teorik olarak reddedilmesi, besleme konsantrasyonunda sınır yok
MD'nin geleneksel ayırma yöntemlerine kıyasla avantajları, esas olarak daha düÅŸük basınç ve düÅŸük sıcaklık gereksinimleridir (30-60°C), bu da daha düÅŸük enerji maliyetlerine ve modüller için daha az zorlayıcı mekanik özelliklere yol açar. Damıtma ve RO'nun aksine, besleme çözeltisi kaynama noktasının altındaki bir sıcaklıkta (atmosferik basınçta) ayrılabilir. DüÅŸük ısı gereksinimleriyle endüstriyel atık ısı ve güneÅŸ, rüzgar ve jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılabilir. Ayrıca, RO ile karşılaÅŸtırıldığında, MD, konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklanan akış sınırlamalarına daha az duyarlıdır. Çok düÅŸük besleme sıcaklıkları, makul derecede yüksek oranlarda ürün suyu üretebilir ve bazı su safsızlıklarının doÄŸası göz önüne alındığında (örneÄŸin yüksek sıcaklıkta kireçlenme sorunları) daha pratik olabilir. Teorik olarak, MD, uçucu olmayan çözünmüÅŸ maddeler için %100 tutma saÄŸlar, bu nedenle besleme konsantrasyonunda bir sınırlama yoktur.
Dezavantajları:
- Nispeten yüksek enerji tüketimi (enerji kaynağı düÅŸük dereceli sıcaklıkta olmasına raÄŸmen)
- Nispeten yüksek modül maliyeti
- DiÄŸer basınçla çalışan membranlara kıyasla düÅŸük akış hızı
- Yüzey aktif maddeler veya amfifilik kirleticiler membranın ıslanmasına neden olabilir (tuzlu su beslemesi membrandan sızarak geçirgen maddeyi kirletir)
MD'nin endüstriyel uygulamasını hala engelleyen ana faktörler, basınç bazlı membran proseslerine kıyasla nispeten düÅŸük geçirgen akış hızı, konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklanan akış hızı azalması, kirlenme ve membran gözeneklerinin ıslanması, MD modüllerinin yüksek maliyeti ve yüksek termal enerji tüketimidir.
4) Process Industry Applications
|
Doğrudan Temaslı Membran Damıtma