Doğrudan Temaslı Membran Damıtma
- Giriş
- İşlem Fonksiyonu
- Avantajlar ve Dezavantajlar
- İşlem Endüstrisi Uygulamaları
1) Giriş
Membran Damıtma (MD), hidrofobik membranlar kullanan, termal olarak yönlendirilen bir taşıma işlemidir. Yöntemdeki itici güç, membran gözeneklerinin iki tarafı arasındaki buhar basıncı farkıdır ve bu da uçucu çözelti bileşenlerinin (örneğin su) kütle ve ısı transferine olanak tanır. MD'nin basitliği ve atık ısı ve/veya güneş ve jeotermal enerji gibi alternatif enerji kaynaklarını kullanabilmesi, MD'nin entegre sistemlerde diğer işlemlerle birleştirilmesini sağlayarak onu umut vadeden bir ayırma tekniği haline getirir.
Şekil 1, AB'de endüstriyel sektör başına atık ısı potansiyeli (%), Büyük Avrupa endüstrilerinde atık ısı potansiyelinin ön değerlendirmesi (2107)
2) Proses Fonksiyonu
Şekil 2, MD prosesinin basitleştirilmiş şematik gösterimi.
MD prosesinin itici gücü, membran boyunca oluşan sıcaklık farkından kaynaklanan buhar basıncı farkıdır. İtici güç saf bir termal itici güç olmadığı için, MD, geleneksel termal damıtmadan çok daha düşük bir sıcaklıkta (30-60°C) gerçekleştirilebilir. Membranın hidrofobik yapısı, yüzey gerilimleri nedeniyle su moleküllerinin girişini engeller. Ancak bu durum, basınç farkı oluşturan ve membran gözenek sisteminden geçerek membranın karşı tarafındaki soğuk tarafta yoğunlaşan su buharları için geçerli değildir. Proses, besleme çözeltisinden yaklaşık %85 su uzaklaştırır ve üç adımda özetlenebilir: (1) sıcak besleme çözeltisi-membran arayüzünde bir buhar boşluğunun oluşumu; (2) buhar fazının mikrogözenekli sistemden taşınması; (3) Soğuk taraf membran-geçirgen çözelti arayüzünde buharın yoğunlaşması.
Membran boyunca buhar basıncı farkının oluşturulma şekli, MD modülü konfigürasyonu tarafından belirlenir. En yaygın kullanılan konfigürasyonda, doğrudan temaslı membran damıtımında (DCMD), geçirgen taraf, membranla doğrudan temas halinde olan bir yoğunlaşma sıvısından (genellikle temiz su) oluşur. Alternatif olarak, buharlaşan çözücü, bir hava boşluğu (AGMD) veya vakum (VMD) yoluyla membrandan ayrılabilen veya soğuk, inert bir süpürme gazı (SGMD) yoluyla boşaltılabilen bir yoğunlaşma yüzeyinde toplanabilir.
Şekil 3, MD konfigürasyonları.
Membranın seçimi, MD ayırma performansında en önemli faktördür. İki yaygın membran konfigürasyonu türü vardır,
- İçi boş 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 hidrofobikliğe, iyi kimyasal ve termal kararlılığa ve oksidasyon direncine sahiptir, ancak en yüksek iletkenliğe sahip olması PTFE membranlardan daha fazla ısı transferine neden olur (bu da sıcaklık farkını ve buhar transferini azaltır). PVDF iyi hidrofobikliğe, termal dirence ve mekanik dayanıma sahiptir ve çok yönlü gözenek yapılarına sahip membranlar haline kolayca hazırlanabilir.
PP iyi termal ve kimyasal direnç gösterir.
Şekil 4, Tuzlu Su Arıtma teknolojilerinin KWh/m3 cinsinden Özgül Enerji Tüketimleri (SEC) ile mg/L (ppm) cinsinden Maksimum TDS Kapasiteleri arasındaki ilişki. Seri halinde Çok Aşamalı Flaş (MSF), Çok Etkili Damıtma (MED), Mekanik Buhar Sıkıştırma (MVC), Elektrodiyaliz/Elektrodiyaliz Tersine Çevirme (ED/EDR), İleri Ozmoz (FO), Membran Damıtma (MD) bulunmaktadır. FO ve MD, Termal Enerji Taleplerinin %90'ına kadar atık ısıdan yararlanabilir.
3) Avantajlar ve Dezavantajlar
Avantajlar:
- Düşük enerji gereksinimleri
- Konsantrasyon Polarizasyonundan fazla etkilenmez
- Uçucu olmayan bileşenlerin %100 teorik olarak reddedilmesi, besleme konsantrasyonunda sınır yok
MD'nin geleneksel ayırma yöntemlerine kıyasla avantajları, esas olarak daha düşük basınç ve düşük sıcaklık gereksinimleridir (30-60°C), bu da daha düşük 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. Düşük ısı gereksinimleriyle endüstriyel atık ısı ve güneş, rüzgar ve jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılabilir. Ayrıca, RO ile karşılaştırıldığında, MD, konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklanan akış sınırlamalarına daha az duyarlıdır. Çok düşük besleme sıcaklıkları, makul derecede yüksek oranlarda ürün suyu üretebilir ve bazı su safsızlıklarının doğası göz önüne alındığında (örneğin yüksek sıcaklıkta kireçlenme sorunları) daha pratik olabilir. Teorik olarak, MD, uçucu olmayan çözünmüş maddeler için %100 tutma sağlar, bu nedenle besleme konsantrasyonunda bir sınırlama yoktur.
Dezavantajları:
- Nispeten yüksek enerji tüketimi (enerji kaynağı düşük dereceli sıcaklıkta olmasına rağmen)
- Nispeten yüksek modül maliyeti
- Diğer basınçla çalışan membranlara kıyasla düşük 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 düşük 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