08:09 Пресная вода может быть в дефиците, даже если океан находится неподалеку. Однако подача неочищенной морской воды непосредственно в стандартную систему обратного осмоса может привести к высокому энергопотреблению, образованию накипи, загрязнению системы и ухудшению качества получаемой воды. Правильно спроектированная мембранная система опреснения морской воды решает эти проблемы поэтапно.
Мембрана для опреснения морской воды — это мембрана обратного осмоса с высоким коэффициентом отклонения, предназначенная для отделения растворённых солей от морской воды под высоким давлением. В системе обратного осмоса морской воды предварительная очистка защищает мембрану, давление прогоняет воду через активный слой мембраны, отклоненные соли удаляются в виде концентрата, а пермеат подвергается дальнейшей обработке для получения пресной воды, предназначенной для коммунального или промышленного использования.
Руководство по мембранам для опреснения морской воды: как мембраны обратного осмоса превращают морскую воду в пресную
Мембрана для опреснения морской воды — это мембрана обратного осмоса, разработанная для обработки исходной воды с гораздо более высокой концентрацией солей, чем в обычной водопроводной воде или в большинстве источников солоноватой воды.
В среднем в океанской воде содержится примерно 35 000 ppm растворённых солей, хотя точный состав морской воды зависит от местоположения. Геологическая служба США классифицирует воду с содержанием растворённых солей от 10 000 до 35 000 ppm как воду с высокой соленостью и отмечает, что соленость океанской воды находится в верхней части этого диапазона.
Из-за такой высокой солености для обработки морской воды требуется гораздо более высокое давление, чем при обычных системах обратного осмоса с низкой соленостью.
Типичный мембранный элемент представляет собой большую площадь спирально намотанной мембраны, размещенной внутри корпуса под давлением. Активный слой, как правило, представляет собой тонкопленочную композитную полиамидную структуру, предназначенную для пропускания воды при одновременном значительном ограничении прохождения растворенных ионов.
Проще говоря:
Морская вода
↓
Высокое давление
↓ Мембрана обратного осмоса
↙ ↘
Свежий концентрированный
пермеат рассолПермеат превращается в обезсоленную воду, а отклоненные соли покидают мембранную систему в виде концентрированного рассола.
В результате естественного осмоса вода проникает через полупроницаемую мембрану в сторону, где концентрация растворенного вещества выше.
Обратный осмос делает как раз наоборот.
Насос высокого давления создает на стороне морской воды давление, достаточное для преодоления осмотического давления. Затем вода проходит через полупроницаемую мембрану, в то время как большая часть растворенных солей остается в потоках сырья и концентрата.
USGS описывает обратный осмос как процесс, при котором соленая вода пропускается через полупроницаемую мембрану с целью отделения воды от растворенной соли.
Этот процесс можно кратко описать следующим образом:
Подача воды → Давление → Мембранное разделение → Готовая вода + концентрат
Это объяснение встречается довольно часто, но оно слишком упрощённое.
Часто говорят о порах мембраны, однако современные тонкопленочные композитные мембраны обратного осмоса не работают как обычный ситовой или картриджный фильтр с четко очерченными отверстиями.
Более точное техническое объяснение заключается в том, что вода и растворенные вещества по-разному взаимодействуют с плотным активным слоем мембраны. Молекулы воды проникают через этот слой гораздо легче, чем большинство растворенных ионов.
Именно поэтому технология мембран обратного осмоса позволяет достичь очень высокой степени удаления солей, хотя обратный осмос не следует рассматривать просто как механическое просеивание частиц.
Элемент обратного осмоса для морской воды и элемент для солоноватой воды с внешней стороны могут выглядеть одинаково.
Оба могут использовать стандартные физические форматы 4040 или 8040.
Однако размер не дает представления о необходимом давлении, степени отделения соли, химических свойствах мембраны или области применения.
Это различие имеет значение.
В актуальной информации о продукции Banott в области обратного осмоса отмечается, что обозначения 4040 и 8040 описывают стандартные физические форматы, тогда как фактические показатели пропускной способности и степени очистки необходимо оценивать с учетом типа мембраны и условий испытаний.
| Фактор | Обратный осмос для солоноватой воды | Обратный осмос морской воды |
|---|---|---|
| Соленость корма | Ниже | Намного выше |
| Осмотическое давление | Ниже | Выше |
| Требуемое давление | Ниже | Выше |
| Выбор мембраны | Специфичный для BWRO | Специфичный для SWRO |
| Основное применение | Скважинная/технологическая вода | Опреснение морской воды |
| Спрос на энергию | Ниже | Выше |
| Важность предварительной обработки | Высокий | Очень высокий |
Для сравнения: компания DuPont публикует данные испытаний мембран для работы в солоноватой воде при концентрации NaCl около 2 000 ppm и давлении 15,5 бар, тогда как испытания нескольких небольших коммерческих элементов системы обратного осмоса (SWRO) проводятся при концентрации NaCl примерно 32 000 ppm и давлении 55 бар. Это стандартизированные условия испытаний, а не универсальные эксплуатационные параметры установки.
Это показывает, почему стандартную мембрану обратного осмоса для солоноватой воды не следует автоматически использовать в проектах, связанных с морской водой с высоким содержанием соли.
Процесс опреснения — это гораздо больше, чем просто сама мембрана.
Надежная система, как правило, включает в себя:
Забор морской воды
↓
Грохотная очистка
↓
Предварительная очистка
↓
Картриджная фильтрация
↓
Насос высокого давления
↓
Мембранная система обратного осмоса морской воды (SWRO)
↓
Рекуперация энергии
↓
Пермеат
↓
Очистка на выходе
↓
Пресная водаМинистерство энергетики США выделяет следующие основные технологические операции в современных системах опреснения морской воды: забор воды, предварительную очистку, обратный осмос, рекуперацию энергии и последующую очистку. Технологии предварительной очистки могут включать сетчатые фильтры, фильтры с фильтрующим наполнителем, микрофильтрацию, ультрафильтрацию, коагуляцию и картриджную фильтрацию.
Пермеат, полученный методом обратного осмоса, содержит мало растворенных минералов.
В зависимости от конечного назначения к готовой воде могут предъявляться следующие требования:
Если речь идет о муниципальной питьевой воде, то стабилизация и дезинфекция приобретают особое значение.
Если конечным продуктом является вода для промышленных процессов, может потребоваться дополнительная обратная осмоса (RO), электродеионизация (EDI) или доочистка.
Таким образом, конечный показатель качества воды должен определять всю схему очистки.
Морская вода содержит гораздо больше, чем просто соль.
Кроме того, он может содержать:
Если эти вещества попадают на поверхность мембраны без надлежащего контроля, на установке может наблюдаться увеличение перепада давления, снижение пропускной способности, повышенная проницаемость солей и необходимость более частой очистки.
Это называется загрязнением мембраны.
Руководство по мембранам для опреснения морской воды: как мембраны обратного осмоса превращают морскую воду в пресную
В зависимости от качества морской воды предварительная очистка может включать:
Для сложных условий прибрежных вод, ультрафильтрация с использованием полых волокон может служить надежным физическим барьером перед установкой обратного осмоса.
Это может повысить стабильность подаваемой жидкости и способствовать защите последующей мембранной системы.
С нашей инженерной точки зрения, проектирование системы предварительной очистки должно основываться на местных условиях, а не копироваться из другого проекта по опреснению воды.
Водозабор из спокойного пляжного колодца может функционировать совершенно иначе, чем водозабор в открытом океане, подверженный воздействию водорослей, штормов, сезонной мутности и биологической нагрузки.
Три наиболее важных параметра в конструкции системы обратного осмоса:
Однако ни один из них не следует рассматривать в отдельности.
Понятие «солеотдача» характеризует степень эффективности, с которой мембрана ограничивает прохождение солей.
Коммерческие мембраны SWRO способны обеспечивать очень высокую степень отклонения солей в определённых лабораторных условиях. Например, опубликованные компанией DuPont данные по небольшим элементам SWRO показывают стабилизированные значения отклонения солей в диапазоне от примерно 99,4% до 99,7% при заданных концентрации подаваемой жидкости, температуре, давлении и условиях извлечения.
Это не означает, что каждая мембрана на каждой установке по опреснению морской воды всегда будет давать именно такой результат.
Фактическое качество воды в продукте зависит от следующих факторов:
Водяной поток характеризует количество пермеата, получаемого на единицу площади мембраны.
Более высокий поток может уменьшить необходимую общую площадь мембраны.
Однако слишком высокая интенсивность потока может повысить риск образования нагара и снизить долгосрочную стабильность.
Цель заключается не просто в достижении максимальной производительности на один мембранный элемент.
Это стабильное производство в течение всего предполагаемого срока эксплуатации.
Осмотическое давление морской воды значительно выше, чем у большинства видов солоноватой воды.
Поэтому для системы SWRO требуется насос высокого давления.
В опубликованных компанией DuPont условиях испытаний с использованием морской воды для стандартных испытаний с концентрацией NaCl 32 000 ppm обычно применяется давление около 55 бар, тогда как некоторые элементы для очистки морской воды рассчитаны на максимальное давление подачи до 83 бар. Фактическое расчетное давление зависит от солености, температуры, коэффициента извлечения, выбора элемента и требуемого качества пермеата.
Создание давления является одним из самых энергоемких этапов в процессе опреснения воды методом обратного осмоса.
Однако концентрат, выходящий из мембранного массива, по-прежнему находится под значительным гидравлическим давлением.
Если игнорировать это давление, то это приводит к потере энергии.
Устройство рекуперации энергии улавливает часть этого давления и возвращает его в поток поступающей морской воды.
Министерство энергетики США определяет рекуперацию энергии как повторное использование энергии рассола под высоким давлением для повышения давления морской воды перед обратным осмосом.
Упрощённая схема выглядит следующим образом:
Насос высокого давления
↓
Мембраны SWRO
↙ ↘
Пермеат, рассол высокого давления
↓
Рекуперация энергии
↓
Поступающая морская водаСовременные технологии теплообменников позволяют очень эффективно передавать давление, поэтому рекуперация энергии стала ключевым элементом конструкции многих крупных установок по опреснению воды методом обратного осмоса.
В случае проектов EPC решение о включении устройства рекуперации энергии зависит от следующих факторов:
В случае небольших установок по опреснению морской воды экономические соображения и особенности расположения оборудования могут привести к тому, что их конструкция будет отличаться от конструкции муниципальных установок.
Даже высококачественная мембрана обратного осмоса будет работать неэффективно, если условия эксплуатации будут неверными.
Существует несколько основных механизмов образования накипи.
Мелкие твердые частицы накапливаются на поверхности мембраны.
Улучшение конструкции системы всасывания, осветление, ультрафильтрация и картриджная фильтрация могут снизить этот риск.
Микроорганизмы прикрепляются к увлажнённым поверхностям и образуют биоплёнки.
Это может привести к увеличению перепада давления и снижению эффективности мембраны.
На мембране могут накапливаться природные органические соединения, что приводит к изменению пропускной способности.
Когда вода проходит через мембрану, концентрация растворённых солей в рассоле увеличивается.
Если содержание слаборастворимых солей превышает пределы их растворимости, может образоваться минеральный налет.
Более высокая степень рекуперации воды позволяет получить больше пресной воды из заданного объема исходной воды.
Звучит заманчиво.
Однако повышение степени извлечения также приводит к более сильной концентрации солей в отходе и может увеличить риск образования накипи.
Поэтому наилучший показатель восстановления — это не всегда максимально возможное число.
Именно восстановление обеспечивает баланс:
Выбор мембраны следует начинать с данных проекта, а не с номера модели из каталога.
Перед выбором мембран для опреснения морской воды подрядчик, выполняющий работы по схеме «проектирование-закупки-строительство» (EPC), должен убедиться в следующем:
Затем мембрана становится одним из компонентов общей системы опреснения.
В некоторых проектах приоритетом является обеспечение максимально высокого качества пермеата.
Другие отдают предпочтение снижению энергопотребления.
Мембрана для очистки морской воды с более низким энергопотреблением может работать при пониженном давлении, однако инженерам всё равно необходимо проверить, соответствует ли качество пермеата требованиям проекта.
Аналогичным образом, мембрана с высоким коэффициентом отклонения может оказаться полезной в случаях, когда требуются более строгие технические характеристики конечной воды.
Правильное решение зависит от общей производительности установки, а не от какого-то одного показателя из технического паспорта.
Руководство по мембранам для опреснения морской воды: как мембраны обратного осмоса превращают морскую воду в пресную
Один и тот же основной принцип мембранного опреснения может обеспечивать очень разную производительность.
Небольшие системы могут использоваться для:
Компактные 4-дюймовые мембранные элементы могут оказаться удобным решением в случаях, когда расход умеренный, а место для установки оборудования ограничено.
Например, компания DuPont предлагает 4-дюймовые элементы SWRO для морских и небольших систем опреснения воды.
Крупномасштабная установка по опреснению морской воды может состоять из сотен или тысяч 8-дюймовых мембранных элементов, установленных в параллельно соединенных сосудах под давлением.
Сфера инженерных задач расширяется и теперь включает:
В рамках этих проектов стоимость мембраны составляет лишь часть затрат на весь жизненный цикл.
Часто гораздо большее значение имеют такие факторы, как энергопотребление, очистка, периодичность замены, эффективность насоса и время простоя.
В процессе эксплуатации мембраны постепенно изменяются.
Важный вопрос заключается в том, вызвано ли это изменение обратимым загрязнением, образованием накипи, повреждением мембраны или естественным износом.
Операторы должны отслеживать нормализованные:
Увеличение перепада давления может свидетельствовать о загрязнении.
Увеличение пропускания соли может свидетельствовать о повреждении мембраны, износе, негерметичности или других эксплуатационных проблемах.
Компания DuPont отмечает, что экстремальные условия эксплуатации могут привести к снижению расхода пермеата, увеличению пропускания солей и повреждению компонентов элемента.
Химическая очистка может восстановить рабочие характеристики, если отложения носят обратимый характер.
Выбор чистящих средств зависит от характера загрязнения.
Операторам не следует проводить многократную очистку мембран без выяснения причины. Частая очистка может свидетельствовать о неэффективной предварительной очистке или о неподходящем рабочем диапазоне.
Замена мембраны становится необходимой, когда невозможно экономически эффективно восстановить приемлемую производительность и степень очистки.
При планировании замены следует учитывать следующее:
Мембрану обратного осмоса для морской воды следует заменять исходя из её рабочих характеристик, а не просто по истечении календарного срока.
Во многих прибрежных регионах имеется в изобилии морская вода, но запасы обычной пресной воды ограничены.
Опреснение воды создаёт ещё один потенциальный источник водоснабжения за счёт отделения растворённой соли от морской воды.
USGS отмечает, что опреснение воды всё чаще применяется в регионах с ограниченными запасами пресной воды и позволяет обеспечивать водой не только население, но и сельское хозяйство, котельные, фармацевтическую промышленность, производство полупроводников и другие отрасли промышленности.
Это не означает, что опреснение морской воды не сопряжено с экологическими или экономическими проблемами.
При разработке проектов необходимо учитывать следующее:
Тем не менее, постоянное совершенствование мембранных технологий, насосов, систем автоматизации, мер по предотвращению загрязнения и рекуперации энергии способствует повышению эффективности систем обратного осмоса сточных вод (SWRO).
Для многих прибрежных проектов это может стать важной составляющей комплексной стратегии в области водных ресурсов.
Для проектов, связанных с морской водой или водой с высокой соленостью, одной только поставки мембраны обратного осмоса недостаточно.
При разработке общей схемы необходимо учитывать анализ сырой воды, предварительную очистку, требуемую производительность, конфигурацию мембран, сосуды под давлением, насосы высокого давления, дозирование химикатов, очистку CIP, контрольно-измерительные приборы и системы автоматического управления.
В настоящее время компания Banott поставляет промышленные мембраны обратного осмоса в стандартных форматах 4040 и 8040, а также оказывает инженерную поддержку по вопросам конфигурации мембран и комплексной интеграции систем обратного осмоса. Перед разработкой технического задания на проект по переработке морской воды необходимо уточнить точные показатели производительности, сверяясь с техническим паспортом конкретной мембраны и указанными в нём условиями испытаний.
Как компания, специализирующаяся на производстве мембран для ультрафильтрации (UF), мембран для обратного осмоса (RO) и модулей электродеионизации (EDI), установки по производству чистой воды, а также комплексные системы водоочистки — наш подход заключается в комплексной оценке всего проекта.
К ним могут относиться:
Для подрядчиков, выполняющих работы по методу «под ключ» (EPC), и системных интеграторов это снижает риски, связанные с взаимодействием отдельных комплектов оборудования.
Большинство современных мембранных установок по переработке морской воды используют специальные мембраны обратного осмоса для морской воды, как правило, изготовленные по технологии тонкопленочных композитных полиамидов. Они рассчитаны на высокую солевую нагрузку и работу под высоким давлением.
Не следует предполагать, что это возможно.
Соленость и осмотическое давление морской воды значительно выше, чем у солоноватой воды. Выбор мембраны должен основываться на солености подаваемой воды, расчетном давлении, требованиях к степени очистки и технических характеристиках производителя.
Коммерческие элементы SWRO могут обеспечивать степень удаления солей свыше 99% в определённых условиях испытаний. Некоторые опубликованные данные по коммерческим элементам показывают стабилизированную степень удаления на уровне 99,4–99,7%. Фактическая производительность установки зависит от условий подачи сырья, степени извлечения, температуры, давления, загрязнения и срока службы мембран.
Морская вода обладает высоким осмотическим давлением из-за высокой концентрации растворенных солей. Прилагаемое давление должно превышать эту осмотическую силу и обеспечивать достаточное движущее давление для прохождения воды через мембрану.
Рассол, выходящий из мембраны, по-прежнему находится под высоким гидравлическим давлением. Установка рекуперации энергии улавливает значительную часть этого давления и передает его поступающей морской воде, что позволяет сократить объем необходимой энергии для перекачки.
Установленный срок службы, одинаковый для всех систем, отсутствует. Срок службы мембран зависит от предварительной очистки, качества морской воды, рабочего давления, образования налёта и накипи, методов очистки, коэффициента извлечения, а также требований к качеству продукта. Операторам следует использовать нормализованные графики производительности для планирования очистки и замены мембран.
Мембрана для опреснения морской воды является основным разделительным барьером на установке обратного осмоса морской воды (SWRO), однако успешное опреснение зависит не только от выбора элемента с высоким коэффициентом отклонения.
Система должна обеспечивать защиту мембраны.
Предварительная очистка позволяет контролировать содержание твердых частиц и биологическую нагрузку.
Насос высокого давления обеспечивает движущую силу.
Мембрана обратного осмоса отделяет воду от растворённой соли.
Рекуперация энергии позволяет сократить потери гидравлической энергии.
Очистка после обработки подготавливает пермеат к конечному использованию.
А мониторинг позволяет поддерживать стабильную производительность на протяжении длительного времени.
Поэтому для подрядчиков, работающих по схеме «проектирование-закупка-строительство» (EPC), муниципальных водохозяйственных проектов, промышленных потребителей, проектов застройки островов, морских проектов и системных интеграторов оптимальной мембраной является та, которая соответствует общей технологической схеме.
Являясь производителем и поставщиком инженерных решений в области водоочистки, мы можем оказать поддержку в подборе мембран и проектировании интегрированных систем обратного осмоса с учетом солености исходной воды, требуемой производительности, целевого качества продуцируемой воды, условий монтажа, потребностей в автоматизации и требований к реализации проекта.
Ознакомьтесь с зоной предотгрузочного контроля мембран UF компании Banott, включая соединения модулей, системы мониторинга расхода, манометры и заводские проверки качества.
Ознакомьтесь с готовыми модулями ультрафильтрационных мембран с полыми волокнами компании Banott, включая цилиндрические корпуса, конструкции торцевых крышек, защитную оболочку и подробную информацию о заводском производстве.