İleri ozmoz - Forward osmosis

Suyun tuzdan arındırılması
yöntemler
Ozmotik Membran İşlemleri

İleri ozmoz ( FO ), ters ozmoz (RO) gibi, suyun çözünmüş çözünenlerden ayrılmasını sağlamak için yarı geçirgen bir zar kullanan ozmotik bir süreçtir . Bu ayırma için itici güç, bir ozmotik basınç gradyanıdır, öyle ki , yüksek konsantrasyonlu bir "çekme" çözeltisi ( besleme çözeltisininkine göre), zardan çekme çözeltisine net bir su akışı sağlamak için kullanılır, böylece Besleme suyunu çözünenlerinden etkili bir şekilde ayırmak. Tersine, ters ozmoz işlemi, ayırma için itici güç olarak hidrolik basıncı kullanır ; bu, aksi takdirde permeattan beslemeye su akışını destekleyecek ozmotik basınç gradyanına karşı koymaya hizmet eder. Bu nedenle, ileri ozmoz ile karşılaştırıldığında ters ozmoz için önemli ölçüde daha fazla enerji gereklidir.

Ters ozmoz ve ileri ozmoz dahil ozmotik membran süreçleri ailesi

Ozmotik ve hidrolik basınçlar ile su (çözücü) akışı arasındaki ilişkiyi tanımlayan en basit denklem şudur:

nerede su akışı , A membranın hidrolik geçirgenliğidir , Δπ membranın iki tarafındaki ozmotik basınçlardaki farktır ve ΔP hidrostatik basınçtaki farktır ( ters ozmotik akışı gösteren negatif değerler ). Bu ilişkilerin modellenmesi pratikte bu denklemin gösterdiğinden daha karmaşıktır; akı membrana, beslemeye ve çekme çözeltisi özelliklerine ve ayrıca sürecin kendi içindeki akışkanlar dinamiğine bağlıdır .

Her bir çözünen madde için çözünen akısı ( ) Fick Yasası ile modellenebilir.

Çözünen geçirgenlik katsayısı nerede ve çözünen için zar ötesi konsantrasyon farkı. Bu yöneten denklemden, bir çözünen maddenin yüksek konsantrasyonlu bir alandan düşük konsantrasyonlu bir alana yayılacağı açıktır. Bu, besleme suyundan çözünen maddelerin ürün suyuna yayıldığı ters ozmozda iyi bilinir, ancak ileri ozmoz durumunda durum çok daha karmaşık olabilir.

FO işlemlerinde, çekme çözeltisinin ve besleme suyunun bileşimine bağlı olarak her iki yönde de çözünen difüzyona sahip olabiliriz. Bu iki şey yapar; çekme solüsyonu çözünenleri besleme solüsyonuna yayılabilir ve besleme solüsyonu çözünenleri çekme solüsyonuna yayılabilir. Açıkça bu fenomenlerin herhangi bir özel FO süreci için çekme çözümünün seçimi açısından sonuçları vardır. Örneğin, çekme çözeltisinin kaybı, belki de çevresel sorunlar veya ozmotik membran biyoreaktörlerinde olduğu gibi besleme akışının kirlenmesi nedeniyle besleme çözümünü etkileyebilir.

Ters ozmoz (RO) ve ileri ozmoz (FO) süreçleri arasındaki ek bir ayrım, bir TO işleminden kaynaklanan sızan suyun çoğu durumda kullanıma hazır tatlı su olmasıdır. FO işleminde durum böyle değildir. FO işleminin membranla ayrılması, besleme solüsyonunun çözünenleri ile çekme solüsyonu arasında bir "ticaret" ile sonuçlanır. Beslemedeki çözünen maddelerin konsantrasyonuna (çekmedeki gerekli çözünen konsantrasyonunu belirleyen) ve FO işleminin ürününün amaçlanan kullanımına bağlı olarak, bu adım gerekli olan tek şey olabilir.

İleri ozmoz süreci aynı zamanda ozmoz olarak da bilinir veya kendi terminolojilerini 'mühendislik osmozu' ve 'manipüle edilmiş ozmoz' olarak tanımlayan bazı şirketler söz konusu olduğunda.

Uygulamalar

Acil içecekler

Kullanmadan önce nemlendirme torbası

Bu tip bir uygulamanın bir örneği, sindirilebilir bir çekme çözünenini kullanan ve seyreltik beslemelerden suyun ayrılması için tasarlanan "hidrasyon torbalarında" bulunabilir . Bu, örneğin, FO zarı tarafından kolayca reddedilen patojenler veya toksinler içermesi beklenebilecek yüzey sularından (akarsular, göletler, su birikintileri vb.) suyun yutulmasına izin verir . Yeterli temas süresi ile, bu tür su, istenmeyen yem bileşenlerini geride bırakarak membran torbaya çekme solüsyonuna nüfuz edecektir. Seyreltilmiş çekme solüsyonu daha sonra doğrudan yutulabilir. Tipik olarak çekme çözünenleri , FO cihazının kullanıcısına ek beslenme faydası sağlayan glikoz veya fruktoz gibi şekerlerdir . Bu tür torbalarla ilgili ek bir ilgi noktası, bunların , bir sırt çantalı gezgin veya askerin kurak ortamlarda hayatta kalma kabiliyetini büyük ölçüde genişleterek, idrarı geri dönüştürmek için kolayca kullanılabilmeleridir . FO'nun sindirilebilir çözünen maddelerle ilk amaçlanan kullanımlarından biri denizdeki cankurtaran sallarında hayatta kalmak için olduğundan, bu işlem prensipte deniz suyu gibi yüksek konsantrasyonlu tuzlu besleme suyu kaynaklarıyla da kullanılabilir.

tuzdan arındırma

Modern Water'ın Al Khaluf, Umman'daki konteynerli ileri ozmoz tuzdan arındırma tesisi

İkinci bir işlem kullanılarak seyreltilmiş çekme / ozmotik ajan çözeltisinden tuzdan arındırılmış su üretilebilir. Bu, membran ayırma, termal yöntem, fiziksel ayırma veya bu işlemlerin bir kombinasyonu ile olabilir. Kirlenmenin genellikle bir sorun olduğu geleneksel ters ozmoz tuzdan arındırma tesislerinden farklı olarak, proses, ileri ozmoz ilk adımı nedeniyle doğal olarak düşük kirlenme özelliğine sahiptir . Modern Water , Cebelitarık ve Umman'da ileri ozmoz bazlı tuzdan arındırma tesisleri kurdu. Mart 2010'da National Geographic dergisi, tuzdan arındırmanın enerji gereksinimlerini azaltmayı vaat eden üç teknolojiden biri olarak ileri ozmozdan bahsetti.

Evaporatif soğutma kulesi – tamamlama suyu

Evaporatif soğutma için tamamlama suyu üretimine uygulanan ileri ozmozun basit diyagramı

Sadece ileri ozmoz adımının kullanıldığı geliştirilmiş bir diğer uygulama ise evaporatif soğutma takviye suyundadır. Bu durumda soğutma suyu çekme çözeltisidir ve buharlaşma ile kaybedilen su, deniz suyu, acı su, arıtılmış atık su veya endüstriyel atık su gibi uygun bir kaynaktan ileri ozmoz ile üretilen su kullanılarak basitçe değiştirilir. Bu nedenle, tamamlama suyu için kullanılabilecek diğer ' tuzdan arındırma ' işlemleriyle karşılaştırıldığında , enerji tüketimi, ileri ozmoz işleminin düşük kirlenme eğiliminin ek avantajı ile bunların çok küçük bir kısmıdır.

Çöp sızıntı suyu arıtma

İstenen ürünün çekme çözünenleri içermeyen tatlı su olması durumunda, ikinci bir ayırma adımı gereklidir. Bir ozmotik basınç gradyanı tarafından yönlendirilen FO'nun ilk ayırma adımı, önemli bir enerji girişi gerektirmez (yalnızca ilgili çözeltilerin basınçsız karıştırılması veya pompalanması). Ancak ikinci ayırma adımı tipik olarak enerji girişi gerektirir. İkinci ayırma adımı için kullanılan bir yöntem, RO kullanmaktır. Bu yaklaşım, örneğin, çöp sızıntı suyunun arıtılmasında kullanılmıştır . Sızıntı suyu beslemesinden suyu tuzlu (NaCl) tuzlu suya çekmek için bir FO membran ayrımı kullanılır. Seyreltilmiş tuzlu su daha sonra tatlı su ve yeniden kullanılabilir tuzlu su konsantresi üretmek için bir TO işleminden geçirilir. Bu yöntemin avantajı enerji tasarrufu değil, daha çok FO prosesinin sızıntı suyu beslemesinden kaynaklanan kirlenmeye karşı tek başına bir RO prosesinden daha dirençli olmasıdır . Meyve suyu gibi gıda ürünlerinin konsantrasyonu için benzer bir FO/RO hibriti kullanılmıştır .

tuzlu su konsantrasyonu

Oasys FO Pilot Sistemi

İleri ozmoz kullanılarak tuzlu su konsantrasyonu, onu geri kazanma ve yeniden oluşturma aracı ile yüksek ozmotik basınç çekme solüsyonu kullanılarak elde edilebilir. Bu tür bir işlem amonyak, karbon dioksit (NH kullanan 3 / CO 2 icat) ileri osmoz işlemi , Yale Üniversitesi'nden sonra kurulan Rob McGinnis, Oasys Su teknoloji ticari için. Amonyak ve karbon dioksit, ısı kullanarak gazlara kolayca ayrıştığından, çekme çözünenleri etkin bir şekilde geri kazanılabilir ve kapalı bir döngü sisteminde yeniden kullanılabilir, termal enerji ve ozmotik basınç arasındaki dönüşüm yoluyla ayırma sağlanır. NH 3 /CO 2 FO tuzlu su konsantrasyonu, ilk olarak petrol ve gaz endüstrisinde, Teksas'ın Permian Havzası bölgesinde üretilen suyu arıtmak için gösterildi ve şu anda Çin'deki enerji ve üretim tesislerinde kullanılıyor.

Besleme suyu 'yumuşatma' / termal tuzdan arındırma için ön arıtma

Çok aşamalı flaş damıtma için ileri ozmoz bazlı besleme suyu ön arıtımı

Kullanılmayan bir uygulama, devridaim yapan tuzlu suyu soğutma suyuyla ozmotik olarak seyrelterek besleme suyunu çok aşamalı flaş (MSF) veya çok etkili damıtma (MED) tesislerine 'yumuşatmak' veya ön işleme tabi tutmaktır. Bu, normal prosese kıyasla kireç oluşturan kalsiyum karbonat ve kalsiyum sülfat konsantrasyonlarını azaltır, böylece üst tuzlu su sıcaklığında (TBT), çıktıda ve kazanılan çıktı oranında (GOR) bir artışa izin verir. Derviş et al. kalsiyum sülfat için aynı ölçekleme indeksini korurken TBT'nin 110 °C'den 135 °C'ye yükseltilebileceğini gösterdi.

ozmotik güç

Basit PRO güç üretim şeması

1954'te Pattle, bir nehir denizle karıştığında, kayıp ozmotik basınç açısından kullanılmayan bir güç kaynağı olduğunu öne sürdü, ancak 70'lerin ortalarına kadar Loeb tarafından seçici geçirgen zarlar kullanarak onu kullanmanın pratik bir yöntemi değildi. ve bağımsız olarak Jellinek tarafından özetlenmiştir. Bu işlem Loeb tarafından basınç geciktirmeli ozmoz (PRO) olarak adlandırılmıştır ve bunun karşısında basit bir uygulama gösterilmiştir. Bundan yararlanmak için düşünülebilecek bazı durumlar, denize akan düşük acı bir nehir veya tuzlu su ve deniz suyu arasındaki diferansiyel ozmotik basıncı kullanmaktır. Ozmotik güç için dünya çapındaki teorik potansiyelin 1,650 TWh/yıl olduğu tahmin edilmektedir.

Statkraft PRO pilot tesisi

Daha yakın zamanlarda, Norveç devlet enerji şirketi Statkraft tarafından önemli miktarda araştırma ve geliştirme çalışması üstlenilmiş ve finanse edilmiştir. Norveç'te 2 – 4 kW arasında brüt çıktı üreten bir prototip tesis inşa edildi; Hurum'daki Statkraft ozmotik güç prototipine bakın . Oslo'nun 400 km kuzeyindeki Sunndalsøra'da 1 – 2 MW gücünde çok daha büyük bir santral düşünüldü, ancak daha sonra düşürüldü. Japonya'daki Yeni Enerji ve Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Örgütü (NEDO), ozmotik güçle ilgili çalışmaları finanse ediyor.

Endüstriyel kullanım

Avantajlar

İleri ozmozun (FO), birçok farklı türde kirletici içeren endüstriyel atıkların arıtılmasında ve ayrıca tuzlu suların arıtılmasında birçok olumlu yönü vardır. Bu çekme atıksuları orta ila düşük konsantrasyonlarda çıkarılabilir maddelere sahip olduğunda, FO membranları gerçekten verimlidir ve ürün suyu için istenen kaliteye bağlı olarak membranı uyarlama esnekliğine sahiptir. FO sistemleri, diğer sistemlerin sahip olabileceği eksiklikleri telafi ettikleri için diğer arıtma sistemleri ile birlikte kullanıldığında da gerçekten faydalıdır. Bu aynı zamanda, biyogaz üretim süreçleri gibi, maliyetleri en aza indirmek veya verimliliği artırmak için belirli bir ürünün geri kazanılmasının gerekli olduğu süreçlerde de yararlıdır.

Dezavantajları

FO proseslerinin ana dezavantajı, yaşayabilecekleri yüksek kirlilik faktörüdür. Bu, yüksek oranda doymuş bir çekme atıksu arıtıldığında meydana gelir, bu da zarın tıkanmasına ve artık işlevini yerine getirmemesine neden olur. Bu, işlemin durdurulması ve zarın temizlenmesi gerektiği anlamına gelir. Bu sorun, kirlenme etkisini azaltan zarı aşmak için yapay basınca sahip olduklarından, diğer tür membran tedavilerinde daha az olur. Ayrıca henüz geliştirilmemiş membran teknolojisiyle ilgili bir sorun var. Bu, kullanılan membranların pahalı olması ve yüksek verimliliğe sahip olmaması veya istenen işlev için ideal olmaması nedeniyle FO işlemlerini etkiler. Bu, çoğu zaman membranlar yerine daha ucuz ve daha basit sistemlerin kullanıldığı anlamına gelir.

Endüstriyel pazar ve gelecek

Şu anda endüstri birkaç FO membran prosesi (ve genel olarak membran teknolojileri) kullanmaktadır, çünkü bunlar aynı zamanda pahalı olan ve çok sayıda temizleme prosedürü gerektiren ve bazen sadece endüstride her zaman sağlanamayan belirli koşullar altında çalışan karmaşık proseslerdir. Bu nedenle, membranlarda geleceğin odak noktası, teknolojiyi geliştirmek, böylece daha esnek ve genel endüstriyel kullanıma uygun hale getirmektir. Bu, araştırmaya yatırım yaparak ve bu gelişmeleri yavaş yavaş piyasaya sokarak yapılacaktır, böylece daha fazla membran üretildiğinden üretim maliyeti düşürülecektir. Mevcut gelişmeye paralel olarak, birkaç yıl içinde membranların birçok farklı endüstriyel proseste (sadece su arıtmada değil) yaygınlaşması-kullanılması ve FO proseslerinin kullanılabileceği birçok alanın ortaya çıkması sağlanabilir.

Araştırma

FO'daki güncel araştırma alanlarından biri, bu durumda bir manyetik alan aracılığıyla çekme çözünenlerinin doğrudan çıkarılmasını içerir. Küçük (nano ölçekli) manyetik parçacıklar, suyun seyreltik bir beslemeden ayrılması için yeterli ozmotik basınçlar yaratarak çözelti içinde süspanse edilir. Bu partikülleri içeren çekme solüsyonu FO su akışı ile seyreltildikten sonra, bir mıknatıs kullanılarak bu solüsyondan ayrılabilir (ya bir hidrasyon torbasının kenarına karşı ya da bir sabit durum prosesinde hat içi bir borunun etrafına). ).

Referanslar

daha fazla okuma