Как это работает: принципы фильтрации и состав системы керамических мембран для разделения нефти и воды

1. Во-первых, развейте интуицию: недоразумение «сита»

Многие люди, впервые увидев керамические мембраны для удаления масла, интуитивно думают о них как о «сито».-масло большое, вода маленькая, поэтому масло задерживается, а вода проходит. Эта аналогия не является ошибочной, но она упускает самую важную половину: в нефтесодержащих сточных водах действительно трудно удержать не крупные капли нефти, а субмикронную эмульгированную нефть, стабилизированную поверхностно-активными веществами; на самом деле успех или неудачу определяет не «достаточно ли малы поры», а «загрязнит ли масло мембрану и, если она засорится, можно ли ее очистить». Чтобы ясно объяснить, каккерамические мембраны для разделения нефти и водыработу необходимо начинать с их основного действия:-перекрестной-фильтрации потоков.

2.Перекрестная-фильтрация: не «тупиковый-конец», а «поток во время очистки»

Перекрестная-фильтрация полностью отличается от «тупиковой»-фильтрации, используемой дома для фильтрации соевого молока. При тупиковой фильтрации исходная жидкость прижимается прямо к поверхности мембраны, а вода и масло ударяются в одном направлении; масло быстро скапливается в лепешку на поверхности мембраны, и поток падает со скалы-. При фильтрации с перекрестным потоком- исходная жидкость течет «вбок» вдоль поверхности мембраны с высокой скоростью; вода под давлением проходит через мембрану вертикально и становится прозрачным пермеатом, в то время как капли масла и загрязнения постоянно сметаются этой силой сдвига параллельно поверхности мембраны и выводятся вместе с концентратом. Другими словами, мембрана не «улавливает» загрязнения пассивно; он активно «отгоняет загрязнения». Это особенно критично для нефтесодержащих сточных вод: если масло растекается по поверхности мембраны, его чрезвычайно трудно удалить, а поперечный- сдвиг является именно первой линией защиты от растекания масла. Именно поэтому при очистке нефтесодержащих сточных вод почти всегда используется перекрестный-поток, а не тупиковый-конец.

Рисунок: Типичная технологическая схема системы разделения масла-воды с керамической мембраной: маслянистая сырая вода поступает в мембранный модуль после предварительной обработки; под действием поперечного сдвига -потока прозрачная жидкость проникает через мембрану и превращается в продуктивную воду, в то время как концентрированное масло и загрязняющие вещества выводятся со стороны концентрата, и система может быть подключена к последующей стадии обратного осмоса или стадии биологической очистки.

2.1. Концентрационная поляризация и критический поток.

Перекрестная-фильтрация также приводит к появлению двух понятий, которые необходимо понимать; иначе многие полевые явления невозможно объяснить. Первый — концентрационная поляризация: вода проходит через мембрану, а масло и взвешенные вещества задерживаются вблизи поверхности мембраны; чем ближе к поверхности мембраны, тем выше концентрация, образуя градиент концентрации. Этот градиент увеличивает сопротивление проникновению и уменьшает поток, но сам по себе обратим; как только поперечный сдвиг-потока утончает пограничный слой, поток может восстановиться. Второй — критический поток: существует порог потока, ниже которого загрязнения накапливаются медленно, и система остается стабильной в течение длительного времени; выше него засорение быстро усиливается, и очистка становится более частой. В технике лучше действовать аккуратно ниже критического потока, чем стремиться к временному высокому потоку. Эти две концепции являются ключом к пониманию того, «почему керамические мембраны нуждаются в перекрестном-потоке» и «почему нельзя просто продолжать увеличивать давление», а также объясняют, почему пилотные-масштабные исследования особенно важны для систем нефтесодержащих сточных вод.

3. Микрофильтрация и ультрафильтрация: в каком масштабе задерживается нефть?

Так в каком же масштабе мембраны действительно удерживают масло? Это сводится к разделению труда между микрофильтрацией (МФ) и ультрафильтрацией (УФ). МЖ имеет сравнительно более крупные поры и задерживает в основном взвеси, крупные капли нефти и часть диспергированной нефти; UF имеет более мелкие поры, попадающие в диапазон размеров капель эмульгированного масла, и является основной силой, удерживающей субмикронное эмульгированное масло. Диапазоны микрофильтрации и ультрафильтрации, обычно используемые в керамических мембранах, являются именно врагом «тончайшей части масла» в нефтесодержащих сточных водах. В таблице ниже перечислены качественные различия между ними, чтобы помочь вам сначала определить, «в какой степени сохраняется масло» во время выбора.

3.1 Размер пор не чем меньше, тем лучше

Следует отметить, что размер пор не является чем меньше, тем лучше. Чем плотнее мембрана, тем выше сопротивление проникновению воды, тем выше потребление энергии и тем легче она забивается мелкими загрязнениями. В инженерии действует принцип «достаточно»: сначала используйте предварительную обработку для удаления крупных частиц и свободного масла, затем позвольте керамической ультрафильтрации сосредоточиться на работе с наиболее сложными эмульгированными маслами, а не ожидать, что одна мембрана сделает все. Это также основная «поэтапная» концепция проектирования системы керамической мембраны для очистки нефтесодержащих сточных вод.

4. От одной мембраны к полноценной системе.

Масштабирование одной мембраны до целой системы на самом деле не является чем-то загадочным, но каждая часть имеет свои особенности. Первая часть представляет собой мембранный модуль и мембранный элемент. Керамические мембраны чаще всего представляют собой многоканальные сотовые трубчатые элементы; Питательная жидкость течет по каналам, а вода выходит через стенку трубы.-Эта конструкция устойчива к загрязнению- и легко чистится, что делает ее особенно подходящей для грязной воды. Вторая часть — это питательный насос и контур поперечного -потока, который обеспечивает две вещи: разницу трансмембранного давления, необходимую для проталкивания питательной жидкости через мембрану, и скорость сдвига, необходимую на поверхности мембраны; если скорость сдвига недостаточна, масло будет прилипать к мембране. Третья часть представляет собой сбор стороны прозрачной жидкости и стороны концентрата; прозрачная жидкость направляется на повторное использование или в последующие процессы, а концентрированная вода сбрасывается вместе с нефтью. Четвертая часть — это устройство очистки (CIP), которое является секретным оружием, которое делает керамические мембраны «долговечными в использовании».- оно может отмывать флюс кислотой и щелочью до того, как загрязнения накопится и повлияют на работу.

На уровне мембранного модуля керамические мембраны обычно представляют собой многоканальные трубчатые или сотовые монолитные элементы, а не плоские листы или полые волокна. Преимущества этой формы очевидны: высокая скорость потока и сильный сдвиг внутри каналов, что делает ее особенно подходящей для грязной воды; как только на стенках трубки появятся отложения или масло, их можно очистить в режиме онлайн с помощью механических губчатых шариков, чего не могут сделать органические мембраны; хотя плотность упаковки не такая высокая, как у полых волокон, взамен достигается устойчивость к засорению, простота очистки и длительный срок службы. При выборе необходимо взвесить флюс, занимаемую площадь и удобство очистки, а не смотреть только на один предмет. Для «грязной работы», такой как нефтесодержащие сточные воды, трубчатые или многоканальные керамические мембраны зачастую являются более реалистичным выбором.

Контроль загрязнения является ежедневной основной задачей всей системы. При нормальной работе поперечный- сдвиг потока обеспечивает предотвращение загрязнения в режиме реального времени; периодически пермеат используется для обратной промывки для удаления мелких загрязнений с поверхности мембраны, обеспечивая «краткосрочное-восстановление»; когда обратная промывка больше не может подавлять снижение потока, активируется химическая очистка (CIP) с использованием подходящих концентраций кислоты, щелочи или окислителя для растворения и удаления органических нефтешламов, накипи и микробной слизи. Причина, по которой керамические мембраны осмеливаются использовать сильную очистку, заключается в том, что неорганические материалы прочны; если бы органические мембраны очищались столь же агрессивно, они часто повреждавались бы при каждой чистке. По этой причине необратимые загрязнения накапливаются в керамических мембранах медленно, кривая снижения потока плавная, а долгосрочная-эксплуатационная "предсказуемость" намного лучше, чем у органических мембран-, это имеет огромную ценность для производственных линий, которым требуется стабильное соблюдение требований.

4.1 Стратегия очистки: CIP не «промывает при загрязнении»

В частности, что касается стратегии очистки, CIP не так прост, как «промывать по мере загрязнения». Щелочная очистка направлена ​​против органических масляных загрязнений и биологической слизи, кислотная очистка направлена ​​на неорганические отложения, а окислители используются для уничтожения микроорганизмов и разложения некоторых органических веществ; последовательность, концентрация, температура, время и скорость циркуляционного потока влияют на эффективность восстановления, а также на срок службы мембраны. Разумный подход состоит в том, чтобы создать связанные записи «очистки потока-разности давлений-»: регулярно отслеживать тенденции нормализованного потока и разницы трансмембранного давления; как только снижение достигнет заданного относительного значения, запланируйте очистку; и после очистки запишите степень восстановления, тем самым оптимизируя частоту и использование химикатов. Переход от очистки «на ощупь» к «по данным» является ключом к сохранению пригодности керамических мембран к использованию в течение длительного времени.

5. Классификация загрязнений и соответствующие «предписания».

Когда дело доходит до чистки, невозможно избежать множества видов загрязнений, поскольку разные загрязнения требуют разных «рецептов». По источнику их можно условно разделить на три типа: органические загрязнения, в основном масляные пленки, белки и микробные метаболиты, обычно удаляемые щелочной очисткой в ​​сочетании с поверхностно-активными веществами; неорганические отложения, содержащие кальций, магний, кремний и т.п. в воде, растворяемые кислотной очисткой; и биологическая слизь, образующаяся в результате размножения микробов, контролируемого окислителями или биоцидами. В реальной работе эти три фактора часто сосуществуют и переплетаются, поэтому план очистки часто зависит от комбинации и последовательности «щелочного-кислотного-окислителя», а не от одного химического вещества. Для нефтесодержащих сточных вод основным виновником является органическое загрязнение, а основой является щелочная очистка; но если жесткость поступающей воды высока, необходима и кислотная очистка. Только четко определив тип загрязнения и затем обсудив очистку, можно как тщательно очистить, так и избежать повреждения мембраны.-Именно в этом заключается ценность химической стойкости керамических мембранных материалов, и это также область, которая больше всего нуждается в поддержке полевых данных при проектировании системы очистки.

Рисунок: Качественное сравнение рейтингов керамических мембран и полимерных органических мембран по ключевым параметрам, таким как устойчивость к загрязнению, термостойкость, стойкость к химической очистке, срок службы и восстановление флюса (относительная иллюстрация, а не конкретные значения).

6. Его положение на всей производственной линии: привратник предварительной обработки.

Если рассматривать мембранную систему в рамках всей производственной линии, то можно увидеть, что она обычно занимает позицию «контролера предварительной обработки». Наверху по потоку проводятся такие предварительные обработки, как сепарация масла, воздушная флотация и уравнительные резервуары, которые отвечают за первое удаление большей части свободного масла и тяжелых взвешенных твердых частиц, защищая керамическую мембрану от повреждения крупными частицами и от мгновенного засорения избытком масла; Далее по технологическому потоку идут усовершенствованные методы очистки для повторного использования.-Обратный осмос обеспечивает опреснение, ионный обмен обеспечивает смягчение или удаление определенных ионов, а биологический этап обеспечивает разложение растворенных органических веществ. Только когда керамические мембраны удаляют масло до достаточно низкого уровня, эти последующие части могут работать спокойно: мембраны обратного осмоса не будут засоряться маслом, смолы не будут отравлены маслом, а аэрация биологических резервуаров не будет закрыта масляной пленкой. Можно сказать, что если этот керамический мембранный барьер будет сохранен, стабильность всей последующей цепочки повторного использования также выиграет.

В таблице ниже приведены основные узлы, функции и конструктивные особенности системы разделения масла-воды с керамической мембраной, что упрощает проверку конфигурации-на месте.

На этом этапе рабочая логикакерамические мембраны для разделения нефти и водыстановится ясно: это не изолированный «фильтр», а миниатюрная инженерная система «предотвращения перекрестного-засорения + поэтапное удержание + восстанавливаемая очистка + координация восходящего и нисходящего потока». Понимание этого важнее, чем запоминание какого-либо отдельного параметра,-поскольку проблемы, возникающие в полевых условиях, в девяти случаях из десяти возникают из-за «координации системы», а не из-за «самой мембраны».

7. Операционная методология: водный баланс прежде всего

На оперативном уровне по-прежнему действует неоднократно проверенная методика: сначала составляют водный баланс для уточнения объемов воды и назначения концентрата; затем классифицировать качество воды, чтобы определить, какая форма нефти преобладает и какой порог качества воды требуется в нижнем течении; наконец, рассчитайте срок окупаемости и общую стоимость владения, чтобы определить масштаб системы и стратегию очистки. Только тщательно выполнив эти три шага, механизм «как это работает» керамических мембран действительно позволит обеспечить стабильную чистую воду и извлекаемое масло на вашей производственной линии.