Вплив робочих параметрів на продуктивність та ефективність зворотноосмотичних мембран: моделювання за допомогою моделі «розчин-дифузія»
DOI:
https://doi.org/10.32347/2411-4049.2024.4.53-64Ключові слова:
розбавлені водні розчини, зворотний осмос, полімерна мембрана, робочі параметри, тиск, концентрація, температура, продуктивністьАнотація
Ця робота присвячена дослідженню впливу основних робочих параметрів (тиску, концентрації, температури) на продуктивність зворотноосмотичних мембран і використанню транспортної моделі «розчин-дифузія» для прогнозування їх ефективності. У дослідженні наведено класифікацію моделей транспорту зворотного осмосу для опису потоків розчинених речовин і розчинників через мембрану. Найпоширенішою моделлю для опису переносу водних розбавлених розчинів і солей у щільних непористих полімерах є модель на основі механізму «розчин-дифузія». Ця модель дозволяє спрогнозувати ефективність затримання розчинених речовин залежно від прикладеного зовнішнього та осмотичного тиску через мембрану, а транспорт солей визначається градієнтом концентрації між вихідним розчином і пермеатом. Наведено схему процесу зворотного осмосу, яка включає: профіль тиску, хімічного потенціалу та активності розчинника на межі розділу розчин–мембрана в моделі «розчин-дифузія»; поведінку розчинника в мембрані під тиском; поділ системи на фізико-хімічні властивості розчинника та розчиненої речовини всередині мембрани. Показано, що вплив на проникність і затримання розчинених речовин є результатом взаємодії кількох факторів, зокрема температури подачі/експлуатації, яка впливає на пористість мембрани, концентрації вихідного розбавленого водного розчину, а також трансмембранного тиску, що сприяє ущільненню мембрани. Встановлено, що збільшення робочого тиску призводить до зростання рушійної сили, що підвищує потік води та ефективність затримання розчинених речовин. Досліджено, що підвищення трансмембранного тиску від 100 до 500 кПа збільшує затримання солі з 82% до 94%, а ступінь затримки солі зменшується зі збільшенням температури розчину з 25 до 45 °C. Виявлено, що зі збільшенням концентрації солі з 1% до 8% ступінь затримки солі зменшується з 99.5% до 97.8%. Показано, що оптимальний потік проникнення спостерігається при температурі 35 °C, особливо через 70 хвилин після початку роботи, а з часом потік проникнення зменшується.
Посилання
Abdelkareem, M.A., El Haj Assad, M., Sayed, E.T., Soudan, B. (2018). Recent Progress in the Use of Renewable Energy Sources to Power Water Desalination Plants. Desalination, 435, 97–113. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2017.11.018
Ang, W.L.; Mohammad, A.W.; Hilal, N.; Leo, C.P. (2014). A Review on the Applicability of Integrated/Hybrid Membrane Processes in Water Treatment and Desalination Plants. Desalination, 363, 2–18. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2014.03.008
Qasim, M.; Badrelzaman, M.; Darwish, N.N.; Darwish, N.A.; Hilal, N. (2019). Reverse Osmosis Desalination: A State-of-the-Art Review. Desalination, 459, 59–104. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2019.02.008
Qasim, M.; Darwish, N.A.; Sarp, S.; Hilal, N. (2015). Water Desalination by Forward (Direct) Osmosis Phenomenon: A Comprehensive Review. Desalination, 374, 47–69, https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2015.07.016
Prihasto, N.; Liu, Q.-F.; Kim, S.-H. (2008). Pre-Treatment Strategies for Seawater Desalination by Reverse Osmosis System. Desalination, 249, 308–316. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2008.09.010
Shenvi, S.S.; Isloor, A.M.; Ismail, A.F. (2014). A Review on RO Membrane Technology: Developments and Challenges. Desalination, 368, 10–26. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2014.12.042.
Xia, S.; Li, X.; Zhang, Q.; Xu, B.; Li, G. (2006). Ultrafiltration of Surface Water with Coagulation Pretreatment by Streaming Current Control. Desalination, 204, 351–358. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2006.03.544
Ali, A.; Tufa, R.A.; Macedonio, F.; Curcio, E.; Drioli, E. (2017). Membrane Technology in Renewable-Energy-Driven Desalination. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 81, 1–21. https://www.doi.org/10.1016/j.rser.2017.07.047
Youssef, P.G.; AL-Dadah, R.K.; Mahmoud, S.M. (2014). Comparative Analysis of Desalination Technologies. Energy Procedia, 61, 2604–2607. https://www.doi.org/10.1016/j.egypro.2014.12.258
Alkaisi, A.; Mossad, R.; Sharifian-Barforoush, A. (2017). A Review of the Water Desalination Systems Integrated with Renewable Energy. Energy Procedia, 110, 268–274. https://www.doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.138
Cay-Durgun, P.; Lind, M.L. (2018). Nanoporous Materials in Polymeric Membranes for Desalination. Current Opinion in Chemical Engineering, 20, 19–27. https://www.doi.org/10.1016/j.coche.2018.01.001
Qasim, M.; Darwish, N.N.; Mhiyo, S.; Darwish, N.A.; Hilal, N. (2018). The Use of Ultrasound to Mitigate Membrane Fouling in Desalination and Water Treatment. Desalination, 443, 143–164. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2018.04.007
Warsinger, D.M.; Chakraborty, S.; Tow, E.W.; Plumlee, M.H.; Bellona, C.; Loutatidou, S.; Karimi, L.; Mikelonis, A.M.; Achilli, A.; Ghassemi, A.; et al. (2018). A Review of Polymeric Membranes and Processes for Potable Water Reuse. Progress in Polymer Science, 81, 209–237. https://www.doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2018.01.004
Wang, K.; Abdalla, A.A.; Khaleel, M.A.; Hilal, N.; Khraisheh, M.K. (2016). Mechanical Properties of Water Desalination and Wastewater Treatment Membranes. Desalination, 401, 190–205. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2016.06.032
Choi, J.-S.; Kim, J.-T. (2014). Modeling of Full-Scale Reverse Osmosis Desalination System: Influence of Operational Parameters. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 21, 261–268. https://www.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.033
Altaee, A.; Zaragoza, G.; Van Tonningen, H.R. (2014). Comparison between Forward Osmosis-Reverse Osmosis and Reverse Osmosis Processes for Seawater Desalination. Desalination, 336, 50–57. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2014.01.002
Kravchenko, М.V.; Vasylenko, L.O. (2022). Investigation of the Main Properties of Reverse Osmosis Membranes and Their Influence on Changes in the Physico-Chemical Composition of Aqueous Solutions. Environmental safety and natural resources, 43, 43–55. https://www.doi.org/10.32347/2411-4049.2022.3.43-55
Park, H.B.; Kamcev, J.; Robeson, L.M.; Elimelech, M.; Freeman, B.D. (2017). Maximizing the Right Stuff: The Trade-off between Membrane Permeability and Selectivity. Science, 356, eaab0530. https://www.doi.org/10.1126/science.aab0530
Mai, Z.; Gui, S.; Fu, J.; Jiang, C.; Ortega, E.; Zhao, Y.; Tu, W.; Mickols, W.; Van Der Bruggen, B. (2019). Activity-Derived Model for Water and Salt Transport in Reverse Osmosis Membranes: A Combination of Film Theory and Electrolyte Theory. Desalination, 469, 114094. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2019.114094
Spiegler, K.S.; Kedem, O. (1966). Thermodynamics of Hyperfiltration (Reverse Osmosis): Criteria for Efficient Membranes. Desalination, 1, 311–326. https://www.doi.org/10.1016/S0011-9164(00)80018-1
Sarbolouki, M.N. (1977). Reverse Osmosis and Synthetic Membranes – Theory, Technology, Engineering. (S. Sourirajan, Ed.). National Research Council of Canada, Ottawa, Canada.
Sobana, S.; Panda, R.C. (2011). Review on Modelling and Control of Desalination System Using Reverse Osmosis. Rev Environ Sci Biotechnol, 10, 139–150. https://www.doi.org/10.1007/s11157-011-9233-z
Merten, U. (1963). Flow Relationships in Reverse Osmosis. Ind. Eng. Chem. Fund. 1963, 2, 229–232. https://www.doi.org/10.1021/i160007a013
Ismail, A.F.; Matsuura, T. (2017). Progress in Transport Theory and Characterization Method of Reverse Osmosis (RO) Membrane in Past Fifty Years. Desalination, 434, 2–11. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2017.09.028
Mickols, W.; Mai, Z.; Van Der Bruggen, B. (2020). Effect of Pressure and Temperature on Solvent Transport across Nanofiltration and Reverse Osmosis Membranes: An Activity-Derived Transport Model. Desalination, 501, 114905. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2020.114905
Paul, D. (2004). Reformulation of the Solution-Diffusion Theory of Reverse Osmosis. Journal of Membrane Science, 241, 371–386. https://www.doi.org/10.1016/j.memsci.2004.05.026
Kravchenko, M.; Bereznytska, Y.; Hunchenko, O.; Vasylenko, L.; Haba, K. (2021). The Theoretical Calculation of Activity Coefficients in the Use of Baromembrane Methods for Water Treatment. In Proceedings of the International Conference of Young Professionals «GeoTerrace-2021»; European Association of Geoscientists & Engineers: Lviv, Ukraine, 2021; (pp. 1–5).
Costa, M.L.; Dickson, J.M. (1991). Modelling of Modules and Systems in Reverse Osmosis. Part I: Theoretical System Design Model Development. Desalination, 80, 251–274. https://www.doi.org/10.1016/0011-9164(91)85162-N
Zhao, S.; Zou, L. (2011). Effects of Working Temperature on Separation Performance, Membrane Scaling and Cleaning in Forward Osmosis Desalination. Desalination, 278, 157–164. https://www.doi.org/10.1016/j.desal.2011.05.018
She, Q.; Jin, X.; Tang, C.Y. (2012). Osmotic Power Production from Salinity Gradient Resource by Pressure Retarded Osmosis: Effects of Operating Conditions and Reverse Solute Diffusion. Journal of Membrane Science, 401–402, 262–273. https://www.doi.org/10.1016/j.memsci.2012.02.014
Karimanzira, D.; Rauschenbach, T. (2021). Performance Prediction of a Reverse Osmosis Desalination System Using Machine Learning. GEP, 09, 46–61. https://www.doi.org/10.4236/gep.2021.97004
Shamel, M.M.; Chung, O.T. (n.d.). Drinking water from desalination of seawater: optimization of reverse osmosis system operating parameters, 1.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 К.В. Шумбар, А.І. Щербак, М.В. Кравченко, Л.О. Василенко, Ю.О. Березницька
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Збірник «Екологічна безпека та природокористування» працює у рамках міжнародної ліцензії Creative Commons Attribution («із зазначенням авторства») 4.0 International (CC BY 4.0).
Ліцензійна політика журналу сумісна з переважною більшістю політик відкритого доступу та архівування матеріалів.
