تقطیر غشایی
| نمک‌زدایی آب |
|---|
| روشها |
|
تقطیر غشایی (MD) یک فرایند جداسازی حرارتی است که در آن جداسازی توسط تغییر فاز انجام می‌شود. یک غشای آب‌گریز، سدی در برابر فاز مایع ایجاد می‌کند و به فاز بخار (مانند بخار آب) اجازه می‌دهد تا از منافذ غشا عبور کند.[۱] نیروی محرکه این فرایند، اختلاف فشار بخار نسبی است که معمولاً توسط اختلاف دما ایجاد می‌شود.[۲][۳]
اصل تقطیر غشایی
بیشتر فرایندهایی که از غشا برای جداسازی مواد استفاده می‌کنند، بر اختلاف فشار استاتیکی به عنوان نیروی محرکه بین دو سطح محدودکننده (مانند اسمز معکوس - RO)، یا اختلاف غلظت (دیالیز)، یا یک میدان الکتریکی (ED) متکی هستند.[۴] گزینش‌پذیری یک غشا می‌تواند ناشی از رابطه اندازه منافذ با اندازه ماده‌ای باشد که باید حفظ شود، یا ضریب انتشار آن، یا قطبایی الکتریکی آن باشد. غشاهای مورد استفاده در تقطیر غشایی (MD) از عبور آب مایع جلوگیری می‌کنند، در حالی که امکان نفوذپذیری برای مولکول‌های آب آزاد و در نتیجه برای بخار آب را فراهم می‌آورند.[۱] این غشاها از مواد مصنوعی آب‌گریز (مانند PTFE، PVDF یا PP) ساخته شده‌اند و منافذی با قطر استاندارد بین ۰٫۱ و ۰٫۵ میکرومتر (۳٫۹×۱۰−۶ و ۱٫۹۷×۱۰−۵ اینچ) ارائه می‌دهند. از آنجا که آب دارای ویژگی‌های دوقطبی الکتریکی قوی است، در حالی که بافت غشا غیرقطبی است، ماده غشا توسط مایع خیس نمی‌شود.[۵] با وجود اینکه منافذ به‌طور قابل‌توجهی بزرگ‌تر از مولکول‌ها هستند، کشش سطحی بالای آب از ورود فاز مایع به منافذ جلوگیری می‌کند. یک خمودگی محدب در داخل منفذ ایجاد می‌شود.[۶] این اثر، مویینگی نامیده می‌شود. از جمله عوامل دیگر، عمق نفوذ می‌تواند به بار فشار خارجی روی مایع بستگی‌داشته باشد. معیاری برای نفوذ مایع به منافذ، زاویه تماس Θ=90 – Θ' است. تا زمانی که Θ < 90° و به تبع آن Θ' > 0° باشد، هیچ خیس‌شدگی منافذ رخ نخواهد داد. اگر فشار خارجی بالاتر از آنچه «فشار ورود مایع» نامیده می‌شود برود، آنگاه Θ = 90°شده و منجر به عبور مایع از منفذ می‌شود. نیروی محرکه‌ای که بخار را از طریق غشا هدایت می‌کند تا آن را در سمت تراوش به عنوان آب محصول جمع‌آوری کند، اختلاف فشار بخار آب نسبی بین دو سطح محدودکننده است. این اختلاف فشار نسبی نتیجه اختلاف دما بین دو سطح محدودکننده است. همان‌طور که در تصویر دیده می‌شود، غشا از یک طرف با جریان خوراک داغ و از طرف دیگر با جریان تراوش سرد بارگذاری می‌شود. اختلاف دما در سراسر غشا، که معمولاً بین ۵ تا ۲۰ کلوین است، یک اختلاف فشار نسبی ایجاد می‌کند که تضمین می‌نماید بخار ایجاد‌شده در سطح غشا، افت فشار را دنبال کرده، از منافذ عبور کند و در سمت سردتر میعان یابد.[۷]
تکنیک‌های تقطیر غشایی
تکنیک‌های مختلف بسیاری برای تقطیر غشایی وجود دارد. چهار تکنیک اصلی عمدتاً از نظر آرایش کانال تقطیر یا نحوه عملکرد این کانال با یکدیگر تفاوت دارند. فناوری‌های زیر رایج‌تر هستند:
- تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD)
- تقطیر غشایی شکاف هوا (AGMD)
- تقطیر غشایی خلأ (VMD)
- تقطیر غشایی گاز جاروب‌کننده (SWGMD)
- تقطیر غشایی چنداثره خلأ (V-MEMD)
- تقطیر غشایی شکاف تراوش (PGMD)
تقطیر غشایی تماس مستقیم
در DCMD، هر دو طرف غشا با مایع بارگذاری می‌شوند؛ آب خوراک داغ در سمت تبخیرکننده و تراوش سرد در سمت تراوش. میعان بخار عبوری از غشا مستقیماً در داخل فاز مایع در سطح مرزی غشا رخ می‌دهد. از آنجا که غشا تنها سد مسدودکننده ترابری جرم است، می‌توان به جریان‌های تراوش نسبتاً بالایی در DCMD دست یافت.[۸] یک نقطه ضعف، اتلاف گرمای محسوس بالا است، زیرا ویژگی‌های عایق‌بندی لایه غشایی منفرد پایین است. با این حال، اتلاف حرارت بالا بین تبخیرکننده و کندانسور نیز نتیجه لایه غشایی منفرد است. این گرمای از دست رفته برای فرایند تقطیر در دسترس نیست و در نتیجه بازده را کاهش می‌دهد.[۹] برخلاف سایر پیکربندی‌های تقطیر غشایی، در DCMD سرمایش در سراسر غشا توسط جریان تراوش تأمین می‌شود تا پیش‌گرمایش خوراک. بنابراین، یک مبدل حرارتی خارجی نیز برای بازیابی گرما از تراوش مورد نیاز است و نرخ جریان بالای خوراک باید به‌دقت بهینه‌سازی شود.[۱۰]
تقطیر غشایی با شکاف هوا (AGMD)
در تقطیر غشایی با شکاف هوا (AGMD)، کانال تبخیرکننده مشابه آنچه در DCMD وجود دارد است، در حالی که شکاف تراوش بین غشا و یک دیواره خنک‌شونده قرار گرفته و با هوا پر‌شده است. بخاری که از غشا عبور می‌کند، باید پیش از میعان بر روی سطح خنک‌تر، بر این شکاف هوایی نیز غلبه کند. مزیت این روش، عایق‌بندی حرارتی بالا نسبت به کانال کندانسور است که در نتیجه تلفات ناشی از هدایت حرارتی را به حداقل می‌رساند. با این حال، عیب آن این است که شکاف هوا به عنوان یک مانع اضافی برای ترابری عمومی عمل کرده و خروجی تراوش وابسته به سطح را در مقایسه با DCMD کاهش می‌دهد.[۱۳] مزیت دیگر نسبت به DCMD این است که مواد فرار با کشش سطحی پایین مانند الکل یا سایر حلال‌ها را می‌توان از محلول‌های رقیق جدا کرد، زیرا در AGMD هیچ تماسی بین تراوش مایع و غشا وجود ندارد. AGMD به‌ویژه در مقایسه با روش‌های جایگزین در شوری‌های بالاتر، سودمند است.[۱۴] تغییرات در AGMD می‌تواند شامل سطوح میعان آب‌گریز[۱۵] یا کندانسورهای متخلخل[۱۶] برای بهبود شار و بازده انرژی باشد. در AGMD، ویژگی‌های طراحی که اهمیت منحصربه‌فردی دارند شامل ضخامت شکاف، آب‌گریزی سطح میعان، طراحی فاصله‌انداز شکاف و زاویه شیب است.[۱۷]
تقطیر غشایی با گاز جاروب‌کننده (SWGMD)
تقطیر غشایی با گاز جاروب‌کننده (SWGMD) که با نام «هوابری» نیز شناخته می‌شود، از یک پیکربندی کانال با شکاف خالی در سمت تراوش استفاده می‌کند. این پیکربندی مشابه AGMD است. میعان بخار در خارج از ماژول تقطیر غشایی و در یک کندانسور خارجی انجام می‌شود. همانند AGMD، مواد فرار با کشش سطحی پایین را می‌توان با این فرایند تقطیر کرد.[۱۸] مزیت SWGMD نسبت به AGMD، کاهش قابل‌توجه مانع در برابر ترابری عمومی از طریق جریان اجباری است. بدین ترتیب، جریان‌های جرمی آب محصول وابسته به سطح بیشتری نسبت به AGMD قابل دستیابی است. عیب SWGMD که ناشی از جزء گازی و در نتیجه جریان جرمی کل بالاتر است، نیاز به ظرفیت کندانسور بیشتر است. هنگام استفاده از جریان‌های جرمی گاز کمتر، خطر گرم شدن خودِ گاز در سطح داغ غشا وجود دارد که باعث کاهش اختلاف فشار بخار و در نتیجه کاهش نیروی محرکه می‌شود. یکی از راه‌حل‌های این مشکل برای SWGMD و AGMD، استفاده از دیواره خنک‌شونده برای کانال تراوش و حفظ دما از طریق شستشو با گاز است.[۱۹]
تقطیر غشایی خلأ (VCMD)
تقطیر غشایی خلأ (VCMD) شامل پیکربندی کانال با شکاف هوا است. هنگامی که بخار از غشا عبور کرد، از کانال تراوش مکیده‌شده و همانند SWGMD در خارج از ماژول میعان می‌شود. VCMD و SWGMD را می‌توان برای جداسازی مواد فرار از محلول آبی یا برای تولید آب خالص از آب‌نمک غلیظ به کار برد. یکی از مزایای این روش این است که گازهای خنثی حل‌نشده که منافذ غشا را مسدود می‌کنند، توسط خلأ مکیده می‌شوند و سطح غشای فعال موثرتری باقی می‌ماند.[۲۰] علاوه بر این، کاهش نقطه جوش منجر به مقدار قابل‌مقایسه‌ای از محصول در دماهای کلی پایین‌تر و اختلاف دمای کمتر در سراسر غشا می‌شود. اختلاف دمای مورد نیاز کمتر، منجر به تقاضای کل و ویژه کمتر برای انرژی گرمایی می‌شود. با این حال، ایجاد خلأ که باید با دمای آب‌نمک تنظیم شود، نیازمند تجهیزات فنی پیچیده است و بنابراین یک عیب برای این روش محسوب می‌شود. تقاضای انرژی الکتریکی بسیار بالاتر از DCMD و AGMD است. مشکل اضافی، افزایش مقدار pH به دلیل حذف CO2 از آب خوراک است. برای اینکه تقطیر غشایی خلأ کارآمد باشد، اغلب در پیکربندی‌های چندمرحله‌ای اجرا می‌شود.[۲۱]
تقطیر غشایی با شکاف تراوش
در ادامه، پیکربندی کانال اصلی و روش عملیاتی یک ماژول استاندارد DCMD و همچنین یک ماژول DCMD با شکاف تراوش مجزا توضیح داده خواهد شد. طراحی در تصویر مجاور، یک پیکربندی کانال تخت را نشان می‌دهد، اما می‌تواند به عنوان طرحی برای ماژول‌های تخت، فیبر توخالی یا مارپیچ نیز در نظر گرفته شود.
پیکربندی کامل کانال شامل یک کانال کندانسور با ورودی و خروجی و یک کانال تبخیرکننده با ورودی و خروجی است. این دو کانال توسط غشای آب‌گریزی و ریزمتخلخل از هم جدا شده‌اند. برای خنک‌سازی، کانال کندانسور با آب شیرین و کانال تبخیرکننده مثلاً با آب خوراک شور پر می‌شود. مایع خنک‌کننده با دمای ۲۰ درجه سلسیوس (۶۸ درجه فارنهایت) وارد کانال کندانسور می‌شود. پس از عبور از غشا، بخار در آب خنک‌کننده میعان می‌شود، گرمای نهان خود را آزاد می‌کند و منجر به افزایش دمای مایع خنک‌کننده می‌شود. هدایت حرارت محسوس نیز آب خنک‌کننده را از طریق سطح غشا گرم می‌کند. به دلیل ترابری جرم از طریق غشا، جریان جرمی در تبخیرکننده کاهش می‌یابد در حالی که کانال کندانسور به همان میزان افزایش می‌یابد. جریان جرمی مایع خنک‌کننده پیش‌گرم‌شده با دمای حدود ۷۲ درجه سلسیوس (۱۶۲ درجه فارنهایت) از کانال کندانسور خارج‌شده و وارد یک مبدل حرارتی می‌شود و بدین ترتیب آب خوراک را پیش‌گرم می‌کند. این آب خوراک سپس به یک منبع حرارتی دیگر منتقل‌شده و در نهایت با دمای ۸۰ درجه سلسیوس (۱۷۶ درجه فارنهایت) وارد کانال تبخیرکننده ماژول MD می‌شود. فرایند تبخیر سطحی، گرمای نهان را از جریان خوراک استخراج می‌کند که باعث خنک شدن فزاینده خوراک در جهت جریان می‌شود. کاهش حرارت اضافی به دلیل عبور حرارت محسوس از غشا رخ می‌دهد. آب خوراک خنک‌شده با دمای تقریبی ۲۸ درجه سانتی‌گراد از کانال تبخیرکننده خارج می‌شود. اختلاف دمای کل بین ورودی کندانسور و خروجی تبخیرکننده و ورودی کندانسور و خروجی تبخیرکننده تقریباً برابر است. در یک ماژول PGMD، کانال تراوش توسط یک سطح میعان از کانال کندانسور جدا می‌شود. این امر امکان استفاده مستقیم از خوراک آب شور را به عنوان خنک‌کننده فراهم می‌کند، زیرا با تراوش تماس پیدا نمی‌کند. با در نظر گرفتن این موضوع، آب خنک‌کننده یا خوراک که با دمای T۱ وارد کانال کندانسور می‌شود، اکنون می‌تواند برای خنک کردن تراوش نیز استفاده شود. میعان بخار در داخل تراوش مایع صورت می‌گیرد. آب خوراک پیش‌گرم‌شده که برای خنک کردن کندانسور استفاده‌شده بود، می‌تواند پس از خروج از کندانسور با دمای T2، مستقیماً برای گرمایش نهایی به یک منبع حرارتی هدایت شود. پس از رسیدن به دمای T3، به تبخیرکننده هدایت می‌شود. تراوش در دمای T۵ استخراج‌شده و آب‌نمک خنک‌شده در دمای T۴ تخلیه می‌شود.
مزیت PGMD نسبت به DCMD، استفاده مستقیم از آب خوراک به عنوان مایع خنک‌کننده در داخل ماژول و در نتیجه نیاز به تنها یک مبدل حرارتی برای گرم کردن خوراک قبل از ورود به تبخیرکننده است. بدین ترتیب تلفات هدایت حرارتی کاهش یافته و قطعات گران‌قیمت حذف می‌شوند. مزیت دیگر، جداسازی تراوش از مایع خنک‌کننده است. بنابراین، تراوش نیازی به استخراج در مراحل بعدی فرایند ندارد و جریان جرمی مایع خنک‌کننده در کانال کندانسور ثابت می‌ماند. سرعت جریان پایین تراوش در شکاف تراوش، از معایب این پیکربندی است، زیرا منجر به هدایت حرارتی ضعیف از سطح غشا به دیواره کندانسور می‌شود. دمای بالا در سطح مرزی غشا در سمت تراوش، نتیجه این اثر (قطبش دما) است که اختلاف فشار بخار و در نتیجه نیروی محرکه فرایند را کاهش می‌دهد. با این حال، این نکته سودمند است که تلفات هدایت حرارتی از طریق غشا نیز با این اثر کاهش می‌یابد. این چالش هدایت حرارتی ضعیف شکاف، تا حد زیادی با نوعی از PGMD به نام CGMD یا تقطیر غشایی شکاف رسانا برطرف می‌شود که فاصله‌گذارهای رسانای حرارتی را به شکاف‌ها اضافه می‌کند.[۲۲][۲۳] در مقایسه با AGMD، در PGMD یا CGMD، خروجی تراوش بیشتری نسبت به سطح حاصل می‌شود، زیرا جریان جرمی توسط مقاومت انتشاری یک لایه هوا محدود نمی‌شود.[۷]
پیکربندی‌های تقطیر غشایی
| پیکربندی | اصل کارکرد | مزایا | معایب | کاربردهای معمول |
|---|---|---|---|---|
| DCMD (تقطیر غشایی تماس مستقیم) | تماس مستقیم بین مایع گرم و سرد | بازده انتقال بخار بالا | تلفات حرارتی قابل توجه به دلیل هدایت | نمک‌زدایی، تصفیه فاضلاب، صنایع غذایی و دارویی |
| AGMD (تقطیر غشایی شکاف هوا) | شکاف هوا بین غشا و سطح میعان | کاهش تلفات حرارتی به دلیل اثر عایق | شار تراوش کمتر نسبت به DCMD | نمک‌زدایی، صنایع دارویی و غذایی |
| VMD (تقطیر غشایی خلأ) | اعمال خلأ در سمت سرد برای افزایش انتقال بخار | افزایش نفوذپذیری و کاهش تلفات حرارتی | تجهیزات پیچیده و نیاز به کنترل دقیق خلأ | جداسازی حلال‌های فرار، نمک‌زدایی، صنایع شیمیایی و دارویی |
| SGMD (تقطیر غشایی گاز جاروب‌کننده) | گاز جاروب‌کننده بخار را از سطح غشا حذف می‌کند | کنترل بهتر انتقال حرارت و جرم بدون خلأ | بازدهی عموماً کمتر در نرخ‌های جریان بالا | بازیابی آب صنعتی، کاربردهای صنایع دارویی و غذایی |
جدول بالا پیکربندی‌های اصلی تقطیر غشایی (MD) را خلاصه کرده و اصول کارکرد، مزایا و محدودیت‌های آن‌ها را برجسته می‌کند. انتخاب یک پیکربندی خاص MD به نیازهای کاربردی خاص، شرایط عملیاتی و ملاحظات مربوط به صرفه اقتصادی بستگی دارد.
در حالی که DCMD به دلیل سادگی و بازده انتقال بخار بالا به طور گسترده استفاده می‌شود، از تلفات حرارتی هدایتی قابل توجهی رنج می‌برد که بازده انرژی کلی را کاهش می‌دهد. AGMD با معرفی یک شکاف هوا که به عنوان عایق حرارتی عمل می‌کند، سعی در رفع این مشکل دارد، که به قیمت شار تراوش کمتر تمام می‌شود. VMD با اعمال خلأ در سمت تراوش، انتقال جرم را بهبود می‌بخشد، اما به تجهیزات پیچیده‌تر و کنترل دقیق خلأ نیاز دارد. SGMD از یک گاز جاروب‌کننده برای حذف بخار و کنترل انتقال حرارت بدون خلأ استفاده می‌کند، با این حال عموماً در نرخ‌های جریان بالا بازدهی کمتری نشان می‌دهد.
پژوهش‌های کنونی بر غلبه بر چالش‌هایی مانند خیس‌شدگی منافذ غشا و تلفات حرارتی از طریق هدایت، با توسعه مواد غشایی پیشرفته و پیکربندی‌های فرایندی ترکیبی متمرکز است. این پیشرفت‌ها با هدف افزایش دوام غشا، بهبود عملکرد جداسازی و کاهش مصرف انرژی انجام می‌شوند که کاربرد صنعتی گسترده‌تر تقطیر غشایی را ممکن می‌سازد.
تقطیر غشایی چنداثره خلأ
ماژول معمولی تقطیر غشایی چنداثره خلأ (مثلاً برند memsys) شامل یک بخار ساز، مراحل تبخیر-میعان و یک کندانسور است. هر مرحله گرمای میعان را بازیابی می‌کند که یک طراحی چنداثره را فراهم می‌آورد. تقطیر در هر مرحله تبخیر-میعان و در کندانسور تولید می‌شود.[۲۵]
افزاینده بخار: گرمای تولیدشده توسط منبع گرمایی خارجی (مانند انرژی خورشیدی یا گرمای زاید) در افزاینده بخار مبادله می‌شود. آب موجود در افزاینده بخار در فشار پایین‌تری (مثلاً ۴۰۰ هکتاپاسکال) نسبت به محیط قرار دارد. بخار داغ به نخستین مرحله تبخیر-میعان (مرحله ۱) جریان می‌یابد.
مراحل تبخیر-میعان: مراحل از قاب‌های متناوب غشای آب‌گریز و فویل (پلی‌پروپیلن، PP) تشکیل شده‌اند. خوراک (مثلاً آب دریا) به مرحله ۱ ماژول وارد می‌شود. خوراک به‌صورت سری از مراحل تبخیر-میعان عبور می‌کند. در پایان آخرین مرحله، این خوراک به‌صورت آب‌نمک تخلیه می‌شود.
مرحله ۱: بخار حاصل از تبخیرکننده روی یک فویل PP در سطح فشار P۱ و دمای متناظر T۱ تقطیر می‌شود. ترکیب یک فویل و یک غشای آب‌گریز، کانالی برای خوراک ایجاد می‌کند که در آن، خوراک توسط گرمای حاصل از میعان بخارِ افزاینده بخار، گرم می‌شود. خوراک تحت فشار منفی P۲ تبخیر می‌شود. خلأ همواره به سمت تراوش غشاها اعمال می‌شود.
مرحله [۲، ۳، ۴، x]: این فرایند در مراحل بعدی تکرار می‌شود و هر مرحله در فشار و دمای پایین‌تری قرار دارد.
کندانسور: بخار تولیدشده در مرحله نهایی تبخیر-میعان، با استفاده از جریان خنک‌کننده (مثلاً آب دریا) در کندانسور تقطیر می‌شود.
تولید تقطیر: تقطیرِ میعان‌شده از طریق اختلاف فشار بین مراحل، از کف هر مرحله منتقل می‌شود.
طراحی ماژول Memsys: در داخل هر قاب Memsys و بین قاب‌ها، کانال‌هایی ایجاد می‌شود. قاب‌های فویل، «کانال‌های تقطیر» هستند. قاب‌های غشا، «کانال‌های بخار» هستند. بین قاب‌های فویل و غشا، «کانال‌های خوراک» ایجاد می‌شوند. بخار وارد مرحله‌شده و به درون قاب‌های فویل موازی جریان می‌یابد. تنها گزینه برای بخاری که وارد قاب‌های فویل می‌شود، تقطیر است؛ یعنی بخار وارد یک قاب فویل «بن‌بست» می‌شود. اگرچه به آن قاب «بن‌بست» گفته می‌شود، اما دارای کانال کوچکی برای حذف گازهای غیرقابل‌تقطیر و اعمال خلأ است.
بخار تقطیرشده به درون یک کانال تقطیر جریان می‌یابد. گرمای میعان از طریق فویل منتقل‌شده و بلافاصله به انرژی تبخیر تبدیل می‌شود که بخار جدیدی را در کانال خوراک آب دریا تولید می‌کند. کانال خوراک توسط یک فویل تقطیرکننده و یک غشا محدود می‌شود. بخار از کانال‌های غشا خارج‌شده و در یک کانال اصلی بخار جمع‌آوری می‌شود. بخار از طریق این کانال مرحله را ترک کرده و وارد مرحله بعدی می‌شود. Memsys یک خط تولید بسیار خودکار برای این ماژول‌ها توسعه داده است که به‌راحتی قابل گسترش است. از آنجا که فرایند Memsys در دماهای پایین و ملایم (کمتر از ۹۰ درجه سلسیوس یا ۱۹۴ درجه فارنهایت) و فشار منفی متوسط کار می‌کند، تمام اجزای ماژول از پلی‌پروپیلن (PP) ساخته شده‌اند. این امر خوردگی و رسوب‌گذاری را از بین می‌برد و امکان تولید مقرون‌به‌صرفه در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کند.
کاربردها
کاربردهای معمول تقطیر غشایی عبارت‌اند از:
نمک‌زدایی با انرژی خورشیدی
تقطیر غشایی برای واحدهای فشرده نمک‌زدایی خورشیدی که خروجی کوچک و متوسط کمتر از ۱۰٬۰۰۰ لیتر بر روز (۲٬۶۰۰ گالون آمریکایی بر روز) دارند، بسیار مناسب است.[۲۶] به‌ویژه طراحی مارپیچی که توسط GORE در سال ۱۹۸۵ ثبت اختراع شد، برای این کاربرد مناسب است. در پروژه MEMDIS که در سال ۲۰۰۳ آغاز شد، موسسه سیستم‌های انرژی خورشیدی فرانهوفر (ISE) شروع به توسعه ماژول‌های MD و همچنین نصب و تحلیل دو سیستم عملیاتی مختلف با انرژی خورشیدی، به همراه سایر شرکای پروژه کرد. نوع اول سیستم، یک سیستم به‌اصطلاح فشرده است که برای تولید خروجی آب آشامیدنی ۱۰۰–۱۲۰ لیتر بر روز (۲۶–۳۲ گالون آمریکایی بر روز) از آب دریا یا آب لب‌شور طراحی‌شده است. هدف اصلی طراحی این سیستم، ایجاد یک کارخانه ساده، خودکفا، کم‌هزینه و مقاوم برای بازارهای هدف در مناطق خشک و نیمه‌خشک با زیرساخت‌های ضعیف است. نوع دوم سیستم، یک کارخانه به‌اصطلاح دو حلقه‌ای با ظرفیت حدود ۲٬۰۰۰ لیتر بر روز (۵۳۰ گالون آمریکایی بر روز) است. در اینجا، مدار کلکتور توسط یک مبدل حرارتی مقاوم در برابر آب شور از مدار نمک‌زدایی جدا می‌شود.[۷] بر اساس این دو نوع سیستم، تعداد متنوعی از نمونه‌های اولیه توسعه، نصب و مشاهده شدند.
پیکربندی استاندارد سیستم فشرده امروزی (۲۰۱۱) قادر است خروجی تقطیر تا ۱۵۰ لیتر بر روز (۴۰ گالون آمریکایی بر روز) تولید کند. انرژی گرمایی مورد نیاز توسط یک میدان کلکتور گرمایی خورشیدی ۶٫۵ متر مربع (۷۰ فوت مربع) تأمین می‌شود. انرژی الکتریکی توسط یک ماژول PV با توان ۷۵ وات تأمین می‌گردد. این نوع سیستم در حال حاضر توسط شرکت Solar Spring GmbH، یک شرکت منشعب از مؤسسه سیستم‌های انرژی خورشیدی فرانهوفر، در حال توسعه و بازاریابی است. در پروژه MEDIRAS، که یک پروژه دیگر اتحادیه اروپا است، یک سیستم دو حلقه‌ای پیشرفته در جزیره گرن کاناریا نصب شد. این سیستم که در داخل یک کانتینر ۶٫۱-متر (۲۰-فوت) ساخته شده و به یک آرایه کلکتور به اندازه ۲۲۵ متر مربع (۲٬۴۲۰ فوت مربع) مجهز است، با استفاده از یک مخزن ذخیره حرارت، امکان تولید خروجی تقطیر تا ۳٬۰۰۰ لیتر بر روز (۷۹۰ گالون آمریکایی بر روز) را فراهم می‌کند. کاربردهای بیشتر با ظرفیت تا ۵٬۰۰۰ لیتر بر روز (۱٬۳۰۰ گالون آمریکایی بر روز) نیز پیاده‌سازی شده‌اند که یا ۱۰۰٪ با انرژی خورشیدی کار می‌کنند و یا به عنوان پروژه‌های ترکیبی در کنار گرمای زاید استفاده می‌شوند.
چالش‌ها
عملیات سیستم‌های تقطیر غشایی با چندین مانع عمده روبروست که ممکن است عملکرد را مختل کرده یا از تبدیل شدن آن به یک گزینه عملی جلوگیری کند. چالش اصلی، خیس‌شدگی غشا است که در آن خوراک شور از غشا نشت کرده و تراوش را آلوده می‌کند.[۱] این امر به‌ویژه ناشی از گرفتگی غشا است که در آن ذرات، نمک‌ها یا مواد آلی بر روی سطح غشا رسوب می‌کنند.[۲۷] تکنیک‌های کاهش گرفتگی شامل استفاده از خاصیت فوق‌آب‌گریزی غشا،[۲۸][۲۹] شستشوی معکوس با هوا برای معکوس کردن[۱] یا جلوگیری از خیس‌شدگی،[۳۰] انتخاب شرایط عملیاتی بدون گرفتگی،[۳۱] و حفظ لایه‌های هوا بر روی سطح غشا است.[۳۰]
بزرگ‌ترین چالش برای مقرون‌به‌صرفه بودن تقطیر غشایی، بازده تبدیل انرژی است. سیستم‌های تجاری هنوز به مصرف انرژی رقابتی در مقایسه با فناوری‌های حرارتی پیشرو مانند تقطیر چندمرحله‌ای دست نیافته‌اند، اگرچه برخی به آن نزدیک شده‌اند،[۳۲] و پژوهش‌ها پتانسیل بهبودهای قابل‌توجهی را در بازده تبدیل انرژی نشان داده‌اند.[۲۲]
منابع
- 1 2 3 4 Warsinger, David M.; Servi, Amelia; Connors, Grace B.; Lienhard V, John H. (2017). "Reversing membrane wetting in membrane distillation: comparing dryout to backwashing with pressurized air". Environmental Science: Water Research & Technology. 3 (5): 930–939. Bibcode:2017ESWRT...3..930W. doi:10.1039/C7EW00085E. hdl:1721.1/118392.
- ↑ Deshmukh, Akshay; Boo, Chanhee; Karanikola, Vasiliki; Lin, Shihong; Straub, Anthony P.; Tong, Tiezheng; Warsinger, David M.; Elimelech, Menachem (2018). "Membrane distillation at the water-energy nexus: limits, opportunities, and challenges". Energy & Environmental Science. 11 (5): 1177–1196. Bibcode:2018EnEnS..11.1177D. doi:10.1039/c8ee00291f. ISSN 1754-5692.
- ↑ Panagopoulos, Argyris; Haralambous, Katherine-Joanne; Loizidou, Maria (2019-11-25). "Desalination brine disposal methods and treatment technologies - A review". Science of the Total Environment. 693 133545. Bibcode:2019ScTEn.69333545P. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.07.351. ISSN 0048-9697. PMID 31374511. S2CID 199387639.
- ↑ Lawson, Kevin W.; Lloyd, Douglas R. (1997-02-05). "Membrane distillation". Journal of Membrane Science. 124 (1): 1–25. doi:10.1016/S0376-7388(96)00236-0.
- ↑ Rezaei, Mohammad; Warsinger, David M.; Lienhard V, John H.; Duke, Mikel C.; Matsuura, Takeshi; Samhaber, Wolfgang M. (2018-08). "Wetting phenomena in membrane distillation: Mechanisms, reversal, and prevention". Water Research. 139: 329–352. Bibcode:2018WatRe.139..329R. doi:10.1016/j.watres.2018.03.058. hdl:1721.1/115486. ISSN 0043-1354. PMID 29660622. S2CID 4902941.
{{cite journal}}: تاریخ وارد شده در|date= - ↑ Lee, Jongho; Karnik, Rohit (2010-08-15). "Desalination of water by vapor-phase transport through hydrophobic nanopores". Journal of Applied Physics. 108 (4): 044315–044315–11. Bibcode:2010JAP...108d4315L. doi:10.1063/1.3419751. hdl:1721.1/78853. ISSN 0021-8979.
- 1 2 3 Joachim Koschikowski: Entwicklung von energieautark arbeitenden Wasserentsalzungsanlagen auf Basis der Membrandestillation Fraunhofer Verlag, 2011, 3839602602
- ↑ Song, Liming; Li, Baoan; Sirkar, Kamalesh K.; Gilron, Jack L. (2007). "Direct Contact Membrane Distillation-Based Desalination: Novel Membranes, Devices, Larger-Scale Studies, and a Model". Industrial & Engineering Chemistry Research. 46 (8): 2307–2323. doi:10.1021/ie0609968. ISSN 0888-5885.
- ↑ Srisurichan, S; Jiraratananon, R; Fane, A. G (2006-06-01). "Mass transfer mechanisms and transport resistances in direct contact membrane distillation process". Journal of Membrane Science. 277 (1–2): 186–194. doi:10.1016/j.memsci.2005.10.028. ISSN 0376-7388.
- ↑ Swaminathan, Jaichander; Chung, Hyung Won; Warsinger, David M.; Lienhard V, John H. (2016). "Simple method for balancing direct contact membrane distillation". Desalination. 383: 53–59. Bibcode:2016Desal.383...53S. doi:10.1016/j.desal.2016.01.014. hdl:1721.1/105370. ISSN 0011-9164. S2CID 4183861.
- ↑ Warsinger, David M.; Swaminathan, Jaichander; Morales, Lucien L.; Lienhard V, John H. (2018). "Comprehensive condensation flow regimes in air gap membrane distillation: Visualization and energy efficiency". Journal of Membrane Science. 555. Elsevier BV: 517–528. Bibcode:2018JMeSc.555..517W. doi:10.1016/j.memsci.2018.03.053. hdl:1721.1/115268. ISSN 0376-7388. S2CID 103774569.
- ↑ David M Warsinger (2017). "Thermodynamic Design and Fouling of Membrane Distillation Systems". arXiv:1711.07348 [physics.app-ph].
- ↑ Warsinger, David; Swaminathan, Jaichander; Lienhard, John H. (2014). "Effect of Module Inclination Angle on Air Gap Membrane Distillation". Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference. doi:10.1615/ihtc15.mtr.009351. hdl:1721.1/100241. ISBN 978-1-56700-421-2. Paper No. IHTC15-9351.
- ↑ Swaminathan, Jaichander; Chung, Hyung Won; Warsinger, David M.; Lienhard V, John H. (2018). "Energy efficiency of membrane distillation up to high salinity: Evaluating critical system size and optimal membrane thickness". Applied Energy. 211: 715–734. Bibcode:2018ApEn..211..715S. doi:10.1016/j.apenergy.2017.11.043. hdl:1721.1/113008. ISSN 0306-2619. S2CID 73650179.
- ↑ Warsinger, David E.M.; Swaminathan, Jaichander; Maswadeh, Laith A.; Lienhard V, John H. (2015). "Superhydrophobic condenser surfaces for air gap membrane distillation". Journal of Membrane Science. 492: 578–587. Bibcode:2015JMeSc.492..578W. doi:10.1016/j.memsci.2015.05.067. hdl:1721.1/102500. ISSN 0376-7388.
- ↑ Fattahi Juybari, Hamid; Parmar, Harsharaj B.; Alshubbar, Ali D.; Young, Katherine L.; Warsinger, David M. (2023). "Porous condensers can double the efficiency of membrane distillation". Desalination. 545 116129. Elsevier BV. Bibcode:2023Desal.54516129F. doi:10.1016/j.desal.2022.116129. ISSN 0011-9164. S2CID 253087478.
- ↑ Warsinger, David M.; Swaminathan, Jaichander; Morales, Lucien L.; Lienhard V, John H. (2018). "Comprehensive condensation flow regimes in air gap membrane distillation: Visualization and energy efficiency". Journal of Membrane Science. 555: 517–528. Bibcode:2018JMeSc.555..517W. doi:10.1016/j.memsci.2018.03.053. hdl:1721.1/115268. ISSN 0376-7388. S2CID 103774569.
- ↑ Karanikola, Vasiliki; Corral, Andrea F.; Jiang, Hua; Eduardo Sáez, A.; Ela, Wendell P.; Arnold, Robert G. (2015). "Sweeping gas membrane distillation: Numerical simulation of mass and heat transfer in a hollow fiber membrane module". Journal of Membrane Science. 483: 15–24. Bibcode:2015JMeSc.483...15K. doi:10.1016/j.memsci.2015.02.010. ISSN 0376-7388.
- ↑ Khayet, M.; Cojocaru, C.; Baroudi, A. (2012). "Modeling and optimization of sweeping gas membrane distillation". Desalination. 287: 159–166. Bibcode:2012Desal.287..159K. doi:10.1016/j.desal.2011.04.070. ISSN 0011-9164.
- ↑ Bandini, S.; Gostoli, C.; Sarti, G.C. (1992). "Separation efficiency in vacuum membrane distillation". Journal of Membrane Science. 73 (2–3): 217–229. Bibcode:1992JMeSc..73..217B. doi:10.1016/0376-7388(92)80131-3. ISSN 0376-7388.
- ↑ Chung, Hyung Won; Swaminathan, Jaichander; Warsinger, David M.; Lienhard V, John H. (2016). "Multistage vacuum membrane distillation (MSVMD) systems for high salinity applications". Journal of Membrane Science. 497: 128–141. doi:10.1016/j.memsci.2015.09.009. hdl:1721.1/105371. ISSN 0376-7388. S2CID 4200568.
- 1 2 Swaminathan, Jaichander; Chung, Hyung Won; Warsinger, David M.; Lienhard V, John H. (2016). "Energy efficiency of permeate gap and novel conductive gap membrane distillation". Journal of Membrane Science. 502: 171–178. doi:10.1016/j.memsci.2015.12.017. hdl:1721.1/105372. S2CID 4282677.
- ↑ "Energy-efficient conductive-gap membrane distillation". Google Patents. 2015-09-15. Retrieved 2024-12-24. USA issued US9956528B2, Jaichander Swaminathan; David Warsinger & Hyung Won Chung et al., "Energy-efficient conductive-gap membrane distillation", published 2018-05-01
- ↑ Shirzad Kebria, R. and Rahimpour, A. (2020). Membrane Distillation: Basics, Advances, and Applications. IntechOpen. DOI: 10.5772/intechopen.86952
- ↑ Kharraz, Jehad; Farid, Muhammad Usman; An, Alicia Kyoungjin; von Eiff, David; Gao, Yonggang; Shi, Zhiwei (2020). HYBRID CONFIGURATION OF MEMBRANE DISTILLATION : VACUUM MULTI-EFFECT MEMBRANE DISTILLATION in Young Moo Lee, Enrico Drioli (Ed.) Membrane Distillation: Materials and Processes (in English) (1st ed.). Nova Science Publishers, Inc. pp. 213–236. ISBN 978-1-53617-448-9.
- ↑ Zaragoza, G.; Ruiz-Aguirre, A.; Guillén-Burrieza, E. (2014). "Efficiency in the use of solar thermal energy of small membrane desalination systems for decentralized water production". Applied Energy. 130: 491–499. Bibcode:2014ApEn..130..491Z. doi:10.1016/j.apenergy.2014.02.024. ISSN 0306-2619.
- ↑ Rezaei, Mohammad; Alsaati, Albraa; Warsinger, David M.; Hell, Florian; Samhaber, Wolfgang M. (2020-08). "Long-Running Comparison of Feed-Water Scaling in Membrane Distillation". Membranes (in English). 10 (8): 173. doi:10.3390/membranes10080173. PMC 7463528. PMID 32751820.
{{cite journal}}: تاریخ وارد شده در|date= - ↑ Rezaei, Mohammad (2016). "Wetting Behaviour of Superhydrophobic Membranes Coated with Nanoparticles in Membrane Distillation". Chemical Engineering Transactions. 47: 373–378. doi:10.3303/cet1647063.
- ↑ Warsinger, David M.; Servi, Amelia; Van Belleghem, Sarah; Gonzalez, Jocelyn; Swaminathan, Jaichander; Kharraz, Jehad; Chung, Hyung Won; Arafat, Hassan A.; Gleason, Karen K.; Lienhard V, John H. (2016). "Combining air recharging and membrane superhydrophobicity for fouling prevention in membrane distillation" (PDF). Journal of Membrane Science. 505: 241–252. Bibcode:2016JMeSc.505..241W. doi:10.1016/j.memsci.2016.01.018. hdl:1721.1/105438. ISSN 0376-7388. S2CID 4672323.
- 1 2 Rezaei, Mohammad; Warsinger, David M.; Lienhard V, John H.; Samhaber, Wolfgang M. (2017). "Wetting prevention in membrane distillation through superhydrophobicity and recharging an air layer on the membrane surface". Journal of Membrane Science. 530: 42–52. Bibcode:2017JMeSc.530...42R. doi:10.1016/j.memsci.2017.02.013. hdl:1721.1/111972. ISSN 0376-7388. S2CID 54029099.
- ↑ Warsinger, David M.; Tow, Emily W.; Swaminathan, Jaichander; Lienhard V, John H. (2017). "Theoretical framework for predicting inorganic fouling in membrane distillation and experimental validation with calcium sulfate". Journal of Membrane Science. 528: 381–390. Bibcode:2017JMeSc.528..381W. doi:10.1016/j.memsci.2017.01.031. hdl:1721.1/107916.
- ↑ Tarnacki, K.; Meneses, M.; Melin, T.; van Medevoort, J.; Jansen, A. (2012). "Environmental assessment of desalination processes: Reverse osmosis and Memstill®". Desalination. 296: 69–80. Bibcode:2012Desal.296...69T. doi:10.1016/j.desal.2012.04.009. ISSN 0011-9164.
مطالعه بیشتر
- H. E. Hoemig: Seawater and Seawater Distillation Vulkan-Verlag, 1978, ISBN 3802724380
- Winter, D. ; Koschikowski, J. ; Wieghaus, M.: Desalination using membrane distillation: Experimental studies on full scale spiral wound modules. Fraunhofer ISE, Freiburg 2011.
- E. Curcio, E. Drioli: «Membrane Distillation and Related Operations—A Review», Separation & Purification Reviews 34/1 35–85, 2005.
- تقطیر