RU2737524C1 - Distillation module for concentration and desalination of aqueous solution and method of concentrating and desalting aqueous solution using thereof - Google Patents
Distillation module for concentration and desalination of aqueous solution and method of concentrating and desalting aqueous solution using thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2737524C1 RU2737524C1 RU2020105820A RU2020105820A RU2737524C1 RU 2737524 C1 RU2737524 C1 RU 2737524C1 RU 2020105820 A RU2020105820 A RU 2020105820A RU 2020105820 A RU2020105820 A RU 2020105820A RU 2737524 C1 RU2737524 C1 RU 2737524C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- condensation
- aqueous solution
- porous
- membrane
- desalination
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/36—Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области разделения или концентрирования водных растворов различных веществ, в частности получения пресной воды из солоноватых, морских вод, сточных вод методом пленочной дистилляции с воздушным зазором и пористой мембраной (поверхностью конденсации).The invention relates to the field of separation or concentration of aqueous solutions of various substances, in particular the production of fresh water from brackish, sea water, wastewater by film distillation with an air gap and a porous membrane (condensation surface).
Современные методы по одновременному удалению различных минеральных загрязнителей из водных сред базируются на баромембранных способах очистки - обратный осмос и нанофильтрация [Greenlee, L.F., Lawler, D.F., Freeman, В.D., Marrot, В., & Moulin, P. (2009). Reverse osmosis desalination: water sources, technology, and today's challenges. Water research, 43(9), 2317-2348.; Zhou, D., Zhu, L., Fu, Y., Zhu, M., & Xue, L. Development of lower cost seawater desalination processes using nanoflltration technologies-A review. Desalination, 376 (2015) 109-116.]. В то же время стоит отметить, что несмотря на эффективность данных методов, в зависимости от солесодержания очищаемой воды, объем концентрата (вторичный отход) может составлять до 50% и более от исходного объема сырья. Кроме того, другим недостатком является необходимость применения высоких давлений, так, при опреснении морской воды обратным осмосом перепад давления на мембране может достигать 80 атм, что влечет за собой значительный рост эксплуатационных расходов [Shenvi, S.S., Isloor, А.М., & Ismail, A.F.А review on RO membrane technology: developments and challenges. Desalination, 368 (2015) 10-26.].Modern methods for the simultaneous removal of various mineral pollutants from aqueous media are based on baromembrane purification methods - reverse osmosis and nanofiltration [Greenlee, LF, Lawler, DF, Freeman, B.D., Marrot, B., & Moulin, P. (2009) ... Reverse osmosis desalination: water sources, technology, and today's challenges. Water research, 43 (9), 2317-2348 .; Zhou, D., Zhu, L., Fu, Y., Zhu, M., & Xue, L. Development of lower cost seawater desalination processes using nanoflltration technologies-A review. Desalination, 376 (2015) 109-116.]. At the same time, it should be noted that despite the effectiveness of these methods, depending on the salinity of the treated water, the volume of the concentrate (secondary waste) can be up to 50% or more of the initial volume of raw materials. In addition, another disadvantage is the need to use high pressures, for example, when desalination of seawater by reverse osmosis, the pressure drop across the membrane can reach 80 atm, which entails a significant increase in operating costs [Shenvi, SS, Isloor, AM, & Ismail AFA review on RO membrane technology: developments and challenges. Desalination, 368 (2015) 10-26.].
Альтернативными вариантами снижения солесодержания очищаемой воды являются термоградиентные способы (дистилляция, мембранная дистилляция) [Van der Bruggen, В., & Vandecasteele, С.Distillation vs. membrane filtration: overview of process evolutions in seawater desalination. Desalination, 143(3) (2002) 207-218.; Al-Obaidani, S., Curcio, E., Macedonio, F., Di Profio, G., Al-Hinai, H., Drioli, E. Potential of membrane distillation in seawater desalination: thermal efficiency, sensitivity study and cost estimation. Journal of Membrane Science, 323(1) (2008) 85-98.]. Так большую часть опресненной воды в мире получают обычной или многостадийной дистилляцией, при которой используются свойства закипания и парообразования при высоких температурах. Широко известные дистилляционные системы обсуждаются и описываются в патенте США №3788954, выданном 29 января 1974 г. С.М. Кантреллу [С Cantrell. Interphase mass transfer process from lamina flowing films.005 in.thick. US Patent 3788954A. 1974-01-29]. Кроме того, в вышеупомянутом патенте предлагается подход к разделению жидких фаз за счет того, что разделяемая смесь стекает в виде тонкой пленки в камере испарения по нагретой поверхности и полученные пары отводятся в камеру конденсации, где пары охлаждаются и полученный дистиллят удаляется из камеры по дополнительной линии.Thermal gradient methods (distillation, membrane distillation) [Van der Bruggen, B., & Vandecasteele, C. Distillation vs. membrane filtration: overview of process evolutions in seawater desalination. Desalination, 143 (3) (2002) 207-218 .; Al-Obaidani, S., Curcio, E., Macedonio, F., Di Profio, G., Al-Hinai, H., Drioli, E. Potential of membrane distillation in seawater desalination: thermal efficiency, sensitivity study and cost estimation ... Journal of Membrane Science, 323 (1) (2008) 85-98.]. So most of the desalinated water in the world is obtained by conventional or multi-stage distillation, which uses the properties of boiling and vaporization at high temperatures. Well-known distillation systems are discussed and described in US Pat. No. 3,788,954, issued Jan. 29, 1974 to CM. Cantrell [With Cantrell. Interphase mass transfer process from lamina flowing films.005 in.thick. US Patent 3788954A. 1974-01-29]. In addition, the aforementioned patent proposes an approach to the separation of liquid phases due to the fact that the separated mixture flows as a thin film in the evaporation chamber along the heated surface and the resulting vapors are discharged into the condensation chamber, where the vapors are cooled and the resulting distillate is removed from the chamber via an additional line ...
Однако в процессе опреснения вод с высоким содержанием минеральных солей методом дистилляции происходит образование накипи, что в свою очередь ухудшает теплопроводность стенок установки, засоряет трубы и выводит из рабочего состояния дорогостоящие уникальные комплексы. Помимо высоких капитальных затрат для дистилляции присущи и высокие энергозатраты, связанные с поддержанием высоких температур (~ 100°С) в процессе опреснения.However, in the process of desalination of waters with a high content of mineral salts by the method of distillation, scale formation occurs, which in turn worsens the thermal conductivity of the walls of the installation, clogs pipes and removes expensive unique complexes from working condition. In addition to high capital costs, distillation also has high energy costs associated with maintaining high temperatures (~ 100 ° C) during desalination.
Для опреснения и очистки сточных вод известен другой термоградиентный метод, при котором жидкая и паровая фазы разделены пористой мембраной - мембранная дистилляция [Al-Obaidani, S., Curcio, Е., Macedonio, F., Di Profio, G., Al-Hinai, H., Drioli, E. Potential of membrane distillation in seawater desalination: thermal efficiency, sensitivity study and cost estimation. Journal of Membrane Science, 323(1) (2008) 85-98.]. Мембранная дистилляция имеет ряд преимуществ перед другими мембранными процессами, такими как нанофильтрация и обратный осмос: практически 100% задерживание нелетучих соединений (например, неорганических солей), транспорт воды через мембрану менее зависит от концентрации соли в разделяемом растворе, для очистки мембраны не требуется никаких дополнительных реагентов. Наиболее широко применяемыми конфигурациями мембранной дистилляции являются мембранная дистилляция прямого контакта, где обе стороны мембраны находятся в непосредственном контакте с растворами питающего потока и пермеата, и мембранную дистилляцию с воздушным зазором, где одна сторона мембраны (селективная) контактирует с горячим разделяемым раствором, а сплошная холодная поверхность конденсации отделена от обратной (второй) стороны мембраны воздушным зазором. Недостатком метода мембранной дистилляции прямого контакта является высокая теплопроводность мембраны, которая приводит к большим теплопотерям. В качестве основного недостатка мембранной дистилляции с воздушным зазором является низкий массоперенос из-за наличия воздушного зазора большой величины (0,5-2 см).For desalination and wastewater treatment, another thermo-gradient method is known, in which the liquid and vapor phases are separated by a porous membrane - membrane distillation [Al-Obaidani, S., Curcio, E., Macedonio, F., Di Profio, G., Al-Hinai , H., Drioli, E. Potential of membrane distillation in seawater desalination: thermal efficiency, sensitivity study and cost estimation. Journal of Membrane Science, 323 (1) (2008) 85-98.]. Membrane distillation has a number of advantages over other membrane processes, such as nanofiltration and reverse osmosis: almost 100% retention of non-volatile compounds (for example, inorganic salts), the transport of water through the membrane is less dependent on the salt concentration in the solution being separated, no additional cleaning is required to clean the membrane. reagents. The most widely used membrane distillation configurations are direct contact membrane distillation, where both sides of the membrane are in direct contact with feed and permeate solutions, and air-gap membrane distillation, where one side of the membrane (selective) is in contact with the hot solution to be separated and the solid side is cold. the condensation surface is separated from the reverse (second) side of the membrane by an air gap. The disadvantage of the direct contact membrane distillation method is the high thermal conductivity of the membrane, which leads to large heat losses. The main disadvantage of membrane distillation with an air gap is low mass transfer due to the presence of a large air gap (0.5-2 cm).
Наиболее близким к настоящему изобретению по совокупности признаков является мембранный дистилляционный модуль с воздушным зазором и способ концентрирования и опреснения водных растворов с его применением [В.В. Волков, И.Л. Борисов, В.П. Василевский, Э.Г. Новицкий, А.В. Волков. Мембранный дистилляционный модуль и способ опреснения минерализованной воды. Патент РФ №2612701 от 03.11.2015]. В конструкции мембранного модуля поверхностью конденсации является не сплошная, а пористая пластина, в отличие от классической конфигурации модуля мембранной дистилляции с воздушным зазором. В качестве хладагента в этом случае используется сконденсированный пермеат. Конструкция модуля мембранной дистилляции с пористой пластиной позволяет снизить воздушный зазор до 0,1 мм и, в результате, достичь высокие производительности по дистилляту (до 20 кг/м ч). Кроме того, как было показано, производительность данного процесса не зависит от ориентации модуля в пространстве.The closest to the present invention in terms of the totality of features is a membrane distillation module with an air gap and a method for concentration and desalination of aqueous solutions with its use [V.V. Volkov, I. L. Borisov, V.P. Vasilevsky, E.G. Novitsky, A.V. Volkov. Membrane distillation module and method for desalination of mineralized water. RF patent No. 2612701 dated 03.11.2015]. In the design of the membrane module, the condensation surface is not a solid, but a porous plate, in contrast to the classical configuration of a membrane distillation module with an air gap. In this case, condensed permeate is used as a refrigerant. The design of the membrane distillation module with a porous plate allows reducing the air gap to 0.1 mm and, as a result, achieving high distillate productivity (up to 20 kg / m h). In addition, as has been shown, the performance of this process does not depend on the orientation of the module in space.
Недостатком модуля и способа по прототипу является контакт опресняемого водного раствора с мембраной, что приводит к смачиванию пор раствором и различного рода загрязнениям поверхности мембран при контакте с разделяемым раствором (образование накипи, биопленки, частичное или полное коллоидное загрязнение).The disadvantage of the module and the method according to the prototype is the contact of the desalinated aqueous solution with the membrane, which leads to wetting of the pores with the solution and various kinds of contamination of the membrane surface upon contact with the solution being separated (formation of scale, biofilm, partial or complete colloidal contamination).
Задача предлагаемого изобретения состоит в создании простого, экономичного мембранно-дистилляционного способа одновременного концентрирования минеральных компонентов и получения пресной воды из солоноватых, морских вод, сточных вод, при котором не происходит загрязнения и засорения элементов модуля примесями. Разделяемая смесь с высоким солесодержанием не контактирует с пористой мембраной, тем самым демонстрируя стабильные характеристики в процессе разделения. Полученный концентрат может быть отправлен на дальнейшее выделение ценных минеральных компонентов в твердом виде.The objective of the present invention is to create a simple, economical membrane distillation method for the simultaneous concentration of mineral components and the production of fresh water from brackish, sea water, wastewater, in which there is no pollution and clogging of the module elements by impurities. The separated mixture with high salinity does not come into contact with the porous membrane, thereby demonstrating stable characteristics during the separation process. The resulting concentrate can be sent for further separation of valuable mineral components in solid form.
Для решения поставленной задачи применяют дистилляционный модуль для концентрирования и опреснения водного раствора, включающий камеру с теплоносителем, одна стенка которой представляет собой поверхность испарения, камеру конденсации с хладагентом, одна стенка которой представляет собой пористую поверхность конденсации паров с воздушным зазором между поверхностью испарения и пористой поверхностью конденсации паров, и присоединенный к камере конденсации контур циркуляции хладагента с насосом, причем поверхность испарения выполнена в виде сплошной подогреваемой стенки с устройством ее орошения со стороны зазора исходным водным раствором, пористая поверхность конденсации паров - в виде пористой пластины, а насос расположен после камеры конденсации.To solve the problem, a distillation module is used for concentration and desalination of an aqueous solution, including a chamber with a coolant, one wall of which is an evaporation surface, a condensation chamber with a refrigerant, one wall of which is a porous surface of vapor condensation with an air gap between the evaporation surface and the porous surface condensation of vapors, and a refrigerant circulation circuit with a pump connected to the condensation chamber, and the evaporation surface is made in the form of a continuous heated wall with a device for its irrigation from the side of the gap with an initial aqueous solution, the porous surface of vapor condensation is in the form of a porous plate, and the pump is located after the condensation chamber ...
Также для решения поставленной задачи применяют способ концентрирования и опреснения водного раствора, включающий подачу водного раствора в дистилляционный модуль, осуществление дистилляции водного раствора с конденсацией паров воды на пористой поверхности конденсации и вывод потока конденсата, в котором используют заявленный дистилляционный модуль, водный раствор подают так, чтобы обеспечить его стекание в режиме пленочного течения по поверхности испарения со стороны указанного воздушного зазора, а часть потока конденсата используют как хладагент.Also, to solve the problem, a method for concentrating and desalting an aqueous solution is used, including supplying an aqueous solution to a distillation module, distilling an aqueous solution with condensation of water vapor on a porous condensation surface and withdrawing a condensate stream, in which the claimed distillation module is used, the aqueous solution is supplied as follows to ensure its draining in the mode of film flow over the evaporation surface from the side of the specified air gap, and part of the condensate flow is used as a refrigerant.
Предпочтительно испаряющая пластина выполнена из металла. Она также может быть выполнена из полимерных материалов или композиционных материалов, что слабо влияет на результаты дистилляционного модуля.Preferably, the evaporating plate is made of metal. It can also be made of polymeric materials or composite materials, which has little effect on the results of the distillation module.
На испаряющую пластину может быть нанесено покрытие, улучшающее смачиваемость.The evaporating plate may be coated to improve wettability.
Это может быть фильтровальная бумага, тонкая пористая или сплошная полимерная пленка с развитой поверхностью и т.п. Также поверхность испаряющей пластины может быть модифицирована с приданием ей гидрофильных свойств путем химической или физической обработки. Кроме того, могут быть использованы различного рода химические добавки в разделяемый раствор для придания лучшей смачиваемости поверхности испарения.It can be filter paper, a thin porous or continuous polymer film with a developed surface, etc. Also, the surface of the evaporating plate can be modified to make it hydrophilic by chemical or physical treatment. In addition, various types of chemical additives can be used in the solution to be separated to impart better wettability to the evaporation surface.
Предпочтительно в качестве пористой мембраны модуль включает пористую пластину из нержавеющей стали. Она также может быть выполнена из пористого титана или пористых пластин полимерных материалов, или пористых керамических пластин, что слабо влияет на результаты работы дистилляционного модуля.Preferably, the module comprises a porous stainless steel plate as a porous membrane. It can also be made of porous titanium or porous plates of polymeric materials, or porous ceramic plates, which has little effect on the results of the distillation module.
Предлагаемый термоградиентный способ концентрирования водно-солевых растворов основан на пленочном испарении разделяемого раствора с конденсацией пара на пористой мембране - пленочной дистилляции с воздушным зазором и пористой поверхностью конденсации (мембраной).The proposed thermal-gradient method for concentrating water-salt solutions is based on film evaporation of the solution to be separated with vapor condensation on a porous membrane - film distillation with an air gap and a porous condensation surface (membrane).
Суть изобретения заключается в том, что разделяемая смесь с высоким солесодержанием не контактирует с пористой мембраной, а отделена от нее воздушным зазором и свободно стекает под действием силы тяжести в виде тонкой пленки жидкости по поверхности испарения - в режиме пленочного течения. Вода испаряется с поверхности пленки в воздушный зазор и конденсируется на пористой поверхности конденсации, которая выполняет роль мембраны. Конденсат проходит через пористую мембрану и удаляется из мембранного модуля с потоком хладагента. В качестве хладагента в этом случае используется сконденсированный пермеат (конденсат). Следует отметить, что насос, обеспечивающий циркуляцию хладагента/пермеата в системе, расположен после камеры конденсации и таким образом, обеспечивает пониженное давление в подмембранном пространстве. Такая концепция позволяет эффективно отводить весь сконденсированный пермеат с поверхности пористой мембраны, что делает возможным максимально уменьшить толщину воздушного зазора и тем самым снизить сопротивление массопереносу в воздушном зазоре.The essence of the invention lies in the fact that the separated mixture with a high salinity does not contact the porous membrane, but is separated from it by an air gap and flows freely under the action of gravity in the form of a thin liquid film over the evaporation surface - in the film flow mode. Water evaporates from the film surface into the air gap and condenses on the porous condensation surface, which acts as a membrane. The condensate passes through the porous membrane and is removed from the membrane module with the refrigerant flow. In this case, condensed permeate (condensate) is used as a refrigerant. It should be noted that the pump that circulates the refrigerant / permeate in the system is located after the condensation chamber and thus provides a reduced pressure in the sub-membrane space. This concept makes it possible to efficiently remove all condensed permeate from the surface of the porous membrane, which makes it possible to minimize the thickness of the air gap and thereby reduce the resistance to mass transfer in the air gap.
Осуществление заявленного изобретения с достижением технического результата поясняется принципиальной схемой дистилляционного модуля, представленной на Фиг. 1.The implementation of the claimed invention with the achievement of the technical result is illustrated by the schematic diagram of the distillation module shown in FIG. one.
На представленном чертеже:In the shown drawing:
1 - камера с теплоносителем, 2 - поверхность испарения, 3 - воздушный зазор, 4 - пористая мембрана (поверхность конденсации), 5 - камера конденсации, 6 - насос, 7 - трубопровод контура циркуляции хладагента, 8 - патрубок вывода пресной воды (хладагента), 9 - входящий поток теплоносителя, 10 - выходящий поток теплоносителя, 11 - исходный поток опресняемого водного раствора, 12 - тонкая пленка опресняемого водного раствора, 13 - поток опресняемого водного раствора, не испарившийся в воздушном зазоре, 14 - пары воды, 15 - входящий поток хладагента, 16 - выходящий поток хладагента.1 - chamber with heat carrier, 2 - evaporation surface, 3 - air gap, 4 - porous membrane (condensation surface), 5 - condensation chamber, 6 - pump, 7 - refrigerant circulation circuit pipeline, 8 - fresh water (refrigerant) outlet , 9 - incoming flow of heat carrier, 10 - outflow of heat carrier, 11 - initial flow of desalinated aqueous solution, 12 - thin film of desalinated aqueous solution, 13 - flow of desalinated aqueous solution, not evaporated in the air gap, 14 - water vapor, 15 - incoming refrigerant flow, 16 - refrigerant outflow.
Ни Фиг. 1 не указана организация подаваемых и отводимых потоков, предусматривающая рекуперацию тепла в системе, поскольку это является общепринятым способом минимизации теплозатрат.Neither FIG. 1 does not indicate the organization of the supply and return flows, providing for heat recovery in the system, since this is a generally accepted way to minimize heat consumption.
Дистилляционный модуль состоит из следующих элементов: нагретой поверхности испарения, образуемой этой поверхностью и стенкой корпуса камеры для теплоносителя с обеспечением подогрева поверхности испарения, охлаждаемой пористой мембраны - поверхности конденсации паров, воздушного зазора, образуемого поверхностью испарения и поверхностью конденсации, камеры конденсации с хладагентом, образованной охлаждаемой пористой мембраной и стенкой корпуса, подведенного к камере конденсации трубопровода контура циркуляции хладагента, патрубка вывода пресной воды, встроенного в трубопровод контура циркуляции хладагента перед камерой конденсации, расположенного после камеры конденсации насоса с обеспечением циркуляции хладагента и разрежения в камере конденсации.The distillation module consists of the following elements: a heated evaporation surface formed by this surface and the wall of the chamber for the coolant with the provision of heating the evaporation surface, a cooled porous membrane - a vapor condensation surface, an air gap formed by the evaporation surface and a condensation surface, a condensation chamber with a refrigerant formed cooled by a porous membrane and the wall of the casing, connected to the condensation chamber of the refrigerant circuit pipeline, a fresh water outlet, built into the refrigerant circuit pipeline in front of the condensation chamber, located after the condensation chamber of the pump with the provision of refrigerant circulation and vacuum in the condensation chamber.
Согласно предлагаемой конфигурации, изобретение работает следующим образом. В контур циркуляции хладагента (7) насосом (6) закачивают расчетное количество пресной воды (при ее отсутствии допускается заполнение минерализованной водой, которая в процессе работы постепенно заменяется на получаемую пресную воду). Затем включают насос подачи исходного водного раствора (на схеме не указан) и насос контура с хладагентом (6), а также систему подогрева (на схеме не указана) поверхности испарения (2) водного раствора и холодильник (на схеме не указан) контура циркуляции хладагента (7). Опресняемый водный раствор (11) поступает на поверхность испарения (2), растекается в виде тонкой пленки (12) и под действием силы тяжести стекает по поверхности в режиме пленочного течения. Образующиеся пары воды (14) поступают в воздушный зазор (3). Пары воды (14) конденсируются на пористой поверхности конденсации (4). Поскольку насос хладагента (6), обеспечивающий циркуляцию хладагента в контуре (7), располагается после камеры конденсации (5), то в ней создается разряжение. Поэтому сконденсированная жидкость на пористой мембране (4) проникает в поры и попадает в камеру с хладагентом (5), где смешивается с циркулирующим потоком хладагента. Полученную пресную воду (16) постоянно отбирают из контура циркуляции хладагента через патрубок вывода пресной воды (хладагента) (8), остающийся поток хладагента (15) вновь поступает в камеру конденсации (5). Выходящий из модуля поток не испарившегося опресняемого водного раствора (13) может быть отправлен на дальнейшее выделение ценных минеральных компонентов в твердом виде или может быть сброшен в акваторию.According to the proposed configuration, the invention works as follows. The calculated amount of fresh water is pumped into the refrigerant circulation circuit (7) by the pump (6) (if it is absent, it is allowed to fill it with mineralized water, which is gradually replaced by the received fresh water during operation). Then they turn on the pump for supplying the initial aqueous solution (not indicated in the diagram) and the pump of the refrigerant circuit (6), as well as the heating system (not indicated in the diagram) of the evaporation surface (2) of the aqueous solution and the refrigerator (not indicated in the diagram) of the refrigerant circuit (7). The water solution to be desalinated (11) enters the evaporation surface (2), spreads out in the form of a thin film (12) and, under the action of gravity, flows down the surface in the film flow mode. The resulting water vapor (14) enters the air gap (3). Water vapor (14) condenses on the porous condensation surface (4). Since the refrigerant pump (6), which circulates the refrigerant in the circuit (7), is located after the condensation chamber (5), a vacuum is created in it. Therefore, the condensed liquid on the porous membrane (4) penetrates into the pores and enters the refrigerant chamber (5), where it mixes with the circulating refrigerant flow. The obtained fresh water (16) is constantly taken from the refrigerant circulation loop through the fresh water (refrigerant) outlet (8), the remaining refrigerant flow (15) enters the condensation chamber (5) again. The stream of non-evaporated desalinated aqueous solution leaving the module (13) can be sent for further separation of valuable mineral components in solid form or can be discharged into the water area.
Важнейшим преимуществом предлагаемого способа является то, что в процессе опреснения воды отсутствует контакт мембраны с опресняемой жидкостью. Пористая мембрана (поверхность конденсации) контактирует только с парами воды, образующимся с поверхности стекающей тонкой пленкой разделяемой жидкости. Данный факт позволяет увеличить массоперенос в воздушном зазоре и получить стабильные транспортные характеристики пористой мембраны (поверхности конденсации). В конечном итоге получая два продукта - пресную воду и высококонцентрированный раствор ценных минеральных компонентов.The most important advantage of the proposed method is that in the process of water desalination there is no contact of the membrane with the desalinated liquid. The porous membrane (condensation surface) is in contact only with water vapor formed from the surface by a flowing thin film of the separated liquid. This fact makes it possible to increase the mass transfer in the air gap and obtain stable transport characteristics of the porous membrane (condensation surface). Ultimately, getting two products - fresh water and a highly concentrated solution of valuable mineral components.
Ниже представлены конкретные примеры осуществления заявленного способа, которые носят иллюстрирующий характер и никоим образом не должны ограничивать объем притязаний.Below are specific examples of implementation of the claimed method, which are illustrative and in no way should limit the scope of the claims.
Пример 1Example 1
Пористая мембрана (поверхность конденсации): (1) пористая пластина 1, материал - спеченная нержавеющая сталь производства ООО "ВМЗ-Техно", Россия; толщина - 200 мкм, размер пор 1-4 мкм, активная площадь - 146 см; или (2) пористая пластина II, материал - полиэтилен, производства АО "Тюменский аккумуляторный завод", Россия; толщина - 250 мкм, размер пор 2-6 мкм, активная площадь - 146 см2. Испаряющая поверхность - (1) сплошная пластина из нержавеющей стали, толщина - 1 мм, активная площадь - 212 см; (2) мембрана микрофильтрационная мембрана МФФК-1, производства ЗАО НТЦ «Владипор», Россия, размер пор - 0,15 мкм, пористость - 80-85%, активная площадь - 146 см2. Во всех примерах растворы готовят весовым методом, концентрацию солей определяют по электропроводности. Степень обессоливания рассчитывали по формуле:Porous membrane (condensation surface): (1)
где с0 и ср - концентрации соли в питающем потоке и пермеатае, соответственно.where с 0 and с р are salt concentrations in the feed stream and permeate, respectively.
В мембранный дистилляционный модуль подают минерализованную воду (раствор хлористого натрия). Исходная концентрация хлорида натрия в разделяемом растворе составляет 50 г/кг, а масса раствора 0,5 кг.Mineralized water (sodium chloride solution) is fed to the membrane distillation module. The initial concentration of sodium chloride in the solution to be separated is 50 g / kg, and the mass of the solution is 0.5 kg.
Температура поверхности испарения - 60°С, температура хладагента 20°С. Испаряющая поверхность - пластина из нержавеющей стали. Поверхность конденсации - пористая пластина I. Расход разделяемого раствора - 90 мл/мин. Ширина воздушного зазора варьируется в диапазоне от 2 до 10 мм.Evaporation surface temperature - 60 ° С, coolant temperature 20 ° С. Evaporating surface - stainless steel plate. Condensation surface - porous plate I. Consumption of the solution to be separated - 90 ml / min. The air gap width ranges from 2 to 10 mm.
Пример 2Example 2
Температура поверхности испарения - 60°С, температура хладагента 20°С. Ширина воздушного зазора 2 мм. Испаряющая поверхность - пластина из нержавеющей стали с улучшающим смачиваемость покрытием из фильтровальной бумаги. Поверхность конденсации - пористая пластина I. Расход разделяемого раствора варьируется в диапазоне от 90 до 180 мл/мин.Evaporation surface temperature - 60 ° С, coolant temperature 20 ° С.
Пример 3Example 3
Температура хладагента 10°С. Ширина воздушного зазора 3 мм. Испаряющая поверхность - пластина из нержавеющей стали. Поверхность конденсации - пористая пластина I. Расход разделяемого раствора 90 мл/мин. Температура поверхности испарения варьируется в диапазоне от 40 до 80°С.
Пример 4Example 4
Температура хладагента 10°С. Ширина воздушного зазора 2 мм. Испаряющая поверхность - пластина из нержавеющей стали. Поверхность конденсации - пористая пластина II. Расход разделяемого раствора 90 мл/мин. Температура поверхности испарения варьируется в диапазоне от 40 до 80°С.
Пример 5Example 5
Температура поверхности испарения - 60°С, температура хладагента 20°С. Ширина воздушного зазора 2 мм. Испаряющая поверхность - пластина из нержавеющей стали. Поверхность конденсации - пористая пластина I. Расход разделяемого раствора 90 мл/мин. Эксперимент на стабильность характеристик опреснения во времени с добавлением керосина в исходный раствор. Исходный раствор: NaCl - 50 г/кг, керосин - 0,06 г/кг.Evaporation surface temperature - 60 ° С, coolant temperature 20 ° С.
Пример 6Example 6
Температура поверхности испарения - 60°С, температура хладагента 20 °С.Ширина воздушного зазора 2 мм. Испаряющая поверхность - мембрана МФФК-1. Поверхность конденсации - пористая пластина I. Расход разделяемого раствора 90 мл/мин. Эксперимент на стабильность характеристик опреснения во времени с добавлением керосина в исходный раствор. Исходный раствор: NaCl - 50 г/кг, керосин - 0,06 г/кг.Evaporation surface temperature - 60 ° C, coolant temperature 20 ° C.
Пример 7Example 7
Температура поверхности испарения - 60°С, температура хладагента 20°С. Ширина воздушного зазора 2 мм. Испаряющая поверхность - пластина из нержавеющей стали. Поверхность конденсации - пористая пластина I. Расход разделяемого раствора 90 мл/мин. Эксперимент на стабильность характеристик опреснения во времени с добавлением синтетического моющего средства «Fairy» (ООО "Проктер энд Гэмбл-Новомосковск", Россия) в исходный раствор. Исходный раствор: NaCl - 50 г/кг, «Fairy» - 0,3 г/кг.Evaporation surface temperature - 60 ° С, coolant temperature 20 ° С.
Пример 8Example 8
Температура поверхности испарения - 60°С, температура хладагента 20°С. Ширина воздушного зазора 2 мм. Испаряющая поверхность - мембрана МФФК-1. Поверхность конденсации - пористая пластина I. Расход разделяемого раствора 90 мл/мин. Эксперимент на стабильность характеристик опреснения во времени с добавлением синтетического моющего средства «Fairy» (ООО "Проктер энд Гэмбл-Новомосковск", Россия) в исходный раствор. Исходный раствор: NaCl - 50 г/кг, «Fairy» - 0,3 г/кг.Evaporation surface temperature - 60 ° С, coolant temperature 20 ° С.
Из примеров 5 и 7 видно, что загрязнения, смачивания мембраны или засорения системы при применении модуля и способа по изобретению не происходит - расчетный поток дистиллята стабилен. Из примеров 6 и 8 видно, что при осуществлении дистилляции по прототипу, когда поток разделяемого водного раствора контактирует с поверхностью мембраны происходит засорение мембраны и в результате чего поток дистиллята снижается во времени. Кроме того, из примера 8 видно, что при добавлении синтетического моющего средства «Fairy» в исходный раствор происходит смачивание мембраны в процессе проведения эксперимента и проникновение опресняемого раствора через мембрану в воздушный зазор и далее в камеру с хладагентом. Из примеров 6 и 8 видно, что поток дистиллята и степень обессоливания при осуществлении дистилляции по прототипу ниже, чем при применении модуля и способа по изобретению.From examples 5 and 7 it can be seen that contamination, membrane wetting or system clogging does not occur when using the module and the method according to the invention - the calculated distillate flow is stable. From examples 6 and 8, it can be seen that when distillation is carried out according to the prototype, when the flow of the aqueous solution to be separated is in contact with the membrane surface, the membrane becomes clogged and, as a result, the distillate flow decreases with time. In addition, from example 8 it can be seen that when the synthetic detergent "Fairy" is added to the initial solution, the membrane is wetted during the experiment and the desalinated solution penetrates through the membrane into the air gap and then into the chamber with the refrigerant. From examples 6 and 8 it can be seen that the flow of distillate and the degree of desalting when carrying out the distillation according to the prototype is lower than when using the module and method according to the invention.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет опреснять и концентрировать водные растворы простым, экономичным способом, избегая загрязнения мембраны или других элементов модуля (образования накипи, биопленки, частичного или полного коллоидного загрязнения мембраны, засорения трубопровода).Thus, the proposed invention makes it possible to desalinate and concentrate aqueous solutions in a simple, economical way, avoiding contamination of the membrane or other elements of the module (formation of scale, biofilm, partial or complete colloidal contamination of the membrane, clogging of the pipeline).
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020105820A RU2737524C1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Distillation module for concentration and desalination of aqueous solution and method of concentrating and desalting aqueous solution using thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020105820A RU2737524C1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Distillation module for concentration and desalination of aqueous solution and method of concentrating and desalting aqueous solution using thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2737524C1 true RU2737524C1 (en) | 2020-12-01 |
Family
ID=73792672
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020105820A RU2737524C1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Distillation module for concentration and desalination of aqueous solution and method of concentrating and desalting aqueous solution using thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2737524C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006159144A (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-22 | Asahi Kasei Corp | Composite membrane |
| RU2424031C1 (en) * | 2009-12-21 | 2011-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный технологический университет" | Film-type evaporator with thin-sheet flow |
| RU2532518C2 (en) * | 2012-11-13 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В, Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method of separation and concentration of organic substances from liquid mixtures and device for its realisation |
| RU2612701C1 (en) * | 2015-11-03 | 2017-03-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Membrane distillation module and method of mineralized water desalination |
| CN108607365A (en) * | 2018-05-09 | 2018-10-02 | 东华大学 | A kind of membrane distillation super-hydrophobic nano composite fiber membrane and preparation method thereof |
-
2020
- 2020-02-07 RU RU2020105820A patent/RU2737524C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006159144A (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-22 | Asahi Kasei Corp | Composite membrane |
| RU2424031C1 (en) * | 2009-12-21 | 2011-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный технологический университет" | Film-type evaporator with thin-sheet flow |
| RU2532518C2 (en) * | 2012-11-13 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В, Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method of separation and concentration of organic substances from liquid mixtures and device for its realisation |
| RU2612701C1 (en) * | 2015-11-03 | 2017-03-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Membrane distillation module and method of mineralized water desalination |
| CN108607365A (en) * | 2018-05-09 | 2018-10-02 | 东华大学 | A kind of membrane distillation super-hydrophobic nano composite fiber membrane and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103304088B (en) | Recycling method of high brine waste water based on forward osmosis | |
| Alklaibi et al. | Membrane-distillation desalination: status and potential | |
| CN101489937B (en) | Multi-stage column distillation (MSCD) method reclaimed for osmotic solute | |
| US8083942B2 (en) | Systems and methods for purification of liquids | |
| CN103508602B (en) | Membrane and evaporation crystallization integrated process with zero discharge of high-salinity industrial wastewater | |
| Geng et al. | Experimental study of hollow fiber AGMD modules with energy recovery for high saline water desalination | |
| KR101398352B1 (en) | Thermal desalination | |
| US20140158616A1 (en) | Systems, apparatus, and methods for separating salts from water | |
| Huayan et al. | Comparison of three membrane distillation confi gurations and seawater desalination by vacuum membrane distillation | |
| CN103073146A (en) | Waste water treatment method and device based on forward osmosis and membrane distillation | |
| Pangarkar et al. | Performance evaluation of vacuum membrane distillation for desalination by using a flat sheet membrane | |
| US20130233797A1 (en) | Methods for osmotic concentration of hyper saline streams | |
| Kim et al. | Evaluation of ethanol as draw solute for forward osmosis (FO) process of highly saline (waste) water | |
| Pangarkar et al. | Vacuum membrane distillation for desalination of ground water by using flat sheet membrane | |
| Wan Osman et al. | A review on recent progress in membrane distillation crystallization | |
| Hung et al. | Membrane distillation for seawater desalination applications in Vietnam: potential and challenges | |
| Gryta | Studies of membrane scaling during water desalination by membrane distillation | |
| RU2737524C1 (en) | Distillation module for concentration and desalination of aqueous solution and method of concentrating and desalting aqueous solution using thereof | |
| Pangarkar et al. | Flux enhancement of air gap membrane distillation for desalination of groundwater by surface modification of membrane | |
| US20090120877A1 (en) | Method for desalination | |
| CN104961287A (en) | Oily sewage zero-discharge treatment method and system | |
| Al-Mutaz et al. | Variation of distillate flux in direct contact membrane distillation for water desalination | |
| Criscuoli et al. | Boron removal by membrane contactors: the water that purifies water | |
| Salih et al. | A novel forward osmosis for treatment of high-salinity East Baghdad oilfield produced water as a part of a zero liquid discharge system | |
| Zidane et al. | MEMBRANE DISTILLATION FOR WATER DESALINATION |