Як це працює: принципи фільтрації та склад системи керамічних мембран для відділення нафтової води

1. По-перше, розвійте інтуїцію: непорозуміння «Решето».

Багато людей, вперше побачивши керамічні мембрани для видалення нафти, інтуїтивно думають про них як про «сито»-масла велике, води мало, тому масло затримується, а вода проходить крізь нього. Ця аналогія не є хибною, але вона пропускає найважливішу частину: у жирних стічних водах справді важко утримати не великі краплі нафти, а субмікронну емульговану нафту, стабілізовану поверхнево-активними речовинами; те, що справді визначає успіх чи невдачу, також полягає не в тому, «чи достатньо малі пори», а «чи буде олія забруднювати мембрану і, якщо вона забруднена, чи можна її очистити». Щоб чітко пояснити, яккерамічні мембрани для водовідділення нафтироботи, потрібно почати з їх основної дії-перехресної-фільтрації.

2. Перехресна-фільтрація потоку: не «тупикова-станція», а «потік під час очищення»

Перехресна-фільтрація повністю відрізняється від «тупикової-фільтрації», яка використовується в домашніх умовах для фільтрування соєвого молока. У -тупиковій фільтрації рідина, що подається, штовхається прямо до поверхні мембрани, і вода та масло потрапляють в одному напрямку; олія швидко збирається в корж на поверхні мембрани, а флюс різко падає, як обрив-. При перехресній-фільтрації рідина, що подається, тече «вбік» уздовж поверхні мембрани з високою швидкістю; Вода під дією тиску проходить вертикально через мембрану та стає прозорим пермеатом, тоді як краплі олії та забруднювачі безперервно змітаються цією силою зсуву паралельно поверхні мембрани та викидаються разом із концентратом. Іншими словами, мембрана не пасивно «ловить» забруднення; він активно «відганяє забруднення». Це особливо критично для жирних стічних вод: коли масло поширюється поверхнею мембрани, його надзвичайно важко видалити, а зсув поперечного -потоку є саме першою лінією захисту від поширення масла. Ось чому очищення забруднених нафтою стічних вод майже завжди використовує перехресний-потік, а не тупиковий-кінець.

Малюнок: типовий технологічний процес у системі відокремлення масла-води з керамічною мембраною: масляниста сира вода надходить у мембранний модуль після попередньої обробки; під дією поперечного -зсуву потоку прозора рідина проникає крізь мембрану, перетворюючись на воду для продукту, тоді як концентрована нафта та забруднювачі виводяться зі сторони концентрату, і систему можна під’єднати до зворотного осмосу або стадії біологічного очищення.

2.1 Концентраційна поляризація та критичний потік

Перехресна-фільтрація також містить дві концепції, які необхідно зрозуміти; інакше багато польових явищ неможливо пояснити. Перший — концентраційна поляризація: вода проходить крізь мембрану, тоді як масло і зважені речовини затримуються біля поверхні мембрани; чим ближче до поверхні мембрани, тим вище концентрація, утворюючи градієнт концентрації. Цей градієнт збільшує опір проникненню та зменшує потік, але сам по собі є оборотним; як тільки поперечний{3}}зсув потоку стоншує прикордонний шар, потік може відновитися. Другий — критичний потік: існує поріг потоку, нижче якого забруднення накопичується повільно, і система залишається стабільною протягом тривалого часу; над нею швидко посилюється забруднення і частішає прибирання. У техніці краще діяти обережно нижче критичного потоку, ніж прагнути до тимчасового високого потоку. Ці дві концепції є ключем до розуміння того, «чому керамічним мембранам потрібен перехресний-потік» і «чому не можна просто продовжувати збільшувати тиск», а також вони пояснюють, чому пілотні-масштабні дослідження особливо важливі для нафтових систем стічних вод.

3. Мікрофільтрація та ультрафільтрація: у якому масштабі утримується нафта?

Тож у якому масштабі мембрани насправді утримують масло? Це зводиться до розподілу праці між мікрофільтрацією (MF) і ультрафільтрацією (UF). MF має відносно більші пори і в основному утримує зважені тверді речовини, великі краплі олії та частину диспергованої олії; UF має дрібніші пори, які потрапляють прямо в діапазон розмірів крапель емульгованої олії, і є основною силою для утримання субмікронної емульгованої олії. Діапазони мікрофільтрації та ультрафільтрації, які зазвичай використовуються в керамічних мембранах, є саме ворогом «найтоншої частини нафти» в маслянистих стічних водах. У наведеній нижче таблиці наведено якісні відмінності між ними, щоб допомогти вам спочатку визначити, «до якої міри утримується масло» під час вибору.

3.1 Розмір пор не менше, тим краще

Слід зазначити, що розмір пор не менше, тим краще. Чим щільніша мембрана, тим більший опір проникненню води, тим вище споживання енергії, і тим легше вона закупорюється дрібними забрудненнями. У техніці діє принцип «достатньо»: спочатку використовуйте попередню обробку для видалення великих частинок і вільної олії, а потім нехай керамічна ультрафільтрація зосередиться на боротьбі з найскладнішою емульгованою олією, замість того, щоб очікувати, що одна мембрана зробить усе. Це також найважливіша «постанова» концепція в проектуванні системи керамічної мембрани для очищення масляних стічних вод.

4. Від однієї мембрани до повної системи

Масштабування однієї мембрани до повної системи насправді не є таємничим за складом, але кожна частина має свої особливості. Перша частина - це мембранний модуль і мембранний елемент. Керамічні мембрани здебільшого виглядають як багато-канальні стільникові трубчасті елементи; живильна рідина тече через канали, а вода просочується крізь стінку труби-ця структура стійка до забруднень-і її легко чистити, що робить її особливо придатною для брудної води. Друга частина — це живильний насос і контур перехресного -потоку, які забезпечують дві речі: трансмембранну різницю тиску, необхідну для проштовхування живильної рідини через мембрану, і необхідну швидкість зсуву на поверхні мембрани; якщо швидкість зсуву недостатня, масло буде прилипати до мембрани. Третя частина - це збір сторони прозорої рідини та сторони концентрату; прозора рідина йде на повторне використання або в подальші процеси, а концентрована вода скидається разом з маслом. Четвертою частиною є блок очищення (CIP), який є секретною зброєю, яка робить керамічні мембрани «довговічними у використанні»-вона може змити флюс кислотою та лугом, перш ніж забруднення накопичаться до точки, яка вплине на роботу.

На рівні мембранних модулів керамічні мембрани зазвичай представляють собою багато-канальні трубчасті або стільникові монолітні елементи, а не плоскі листи або порожнисті волокна. Переваги цієї форми очевидні: висока швидкість течії та сильний зсув всередині каналів, що робить її особливо придатною для брудної води; як тільки на стінці трубки відкладеться луска або прилипне масло, її можна очистити в режимі онлайн за допомогою механічних губчастих кульок, чого не можуть зробити органічні мембрани; хоча щільність упаковки не така висока, як у порожнистих волокон, натомість ви отримуєте стійкість до засмічення, легкість очищення та тривалий термін служби. При виборі слід зважити флюс, розмір і зручність очищення, а не дивитися лише на один елемент. Для «брудної роботи», як-от забруднених стічними водами, трубчасті або багато-канальні керамічні мембрани часто є більш реалістичним вибором.

Боротьба з забрудненнями – щоденна головна лінія всієї системи. Під час нормальної роботи зсув поперечного-потоку забезпечує «онлайн» запобігання забрудненню; періодично пермеат використовується для зворотного промивання, щоб виштовхнути дрібні забруднювачі на поверхні мембрани, досягаючи «короткочасного-відновлення»; коли зворотне промивання більше не може пригнічувати зниження потоку, активується хімічне очищення (CIP) з використанням відповідних концентрацій кислоти, лугу або окислювача для розчинення та видалення органічного масляного осаду, накипу та мікробного слизу. Причина, по якій керамічні мембрани наважуються використовувати сильне очищення, полягає в тому, що неорганічні матеріали є міцними; якби органічні мембрани очищали настільки ж агресивно, вони б часто пошкоджувалися під час кожного очищення. З цієї причини необоротне забруднення накопичується повільно в керамічних мембранах, крива зниження потоку є м’якою, а довгострокова «передбачуваність» роботи набагато краща, ніж у органічних мембран-це має величезну цінність для виробничих ліній, які потребують стабільної відповідності.

4.1 Стратегія очищення: CIP не є "змивом у разі забруднення"

Зокрема, щодо стратегії очищення CIP не є таким випадковим, як «змийте, коли забруднено». Лужне очищення спрямоване на забруднення органічними нафтами та біологічний слиз, кислотне очищення спрямоване на неорганічні накипи, а окислювачі використовуються для знищення мікроорганізмів і розкладання деяких органічних речовин; послідовність, концентрація, температура, час і швидкість циркуляції - все це впливає на ефективність відновлення, а також впливає на термін служби мембрани. Розумним підходом є встановлення пов’язаних записів «потоку-різниці тиску-очищення»: регулярно відстежуйте тенденції нормалізованого потоку та різниці трансмембранного тиску; як тільки зниження досягне заданого відносного значення, заплануйте очищення; і після очищення зафіксуйте швидкість відновлення, таким чином оптимізуючи частоту та хімікати. Перехід від очищення «на дотик» до «за даними» є ключем до того, щоб керамічні мембрани були придатними для використання протягом тривалого часу.

5. Класифікація забруднення та відповідні «рецепти»

Коли справа доходить до очищення, неможливо уникнути того, скільки видів забруднень існує, тому що різні забруднення вимагають різних «рецептів». За походженням їх можна приблизно розділити на три типи: органічні забруднення, головним чином масляні плівки, білки та мікробні метаболіти, які зазвичай видаляються лужним очищенням у поєднанні з поверхнево-активними речовинами; неорганічний накип, від кальцію, магнію, кремнію тощо у воді, розчинений кислотним очищенням; і біологічний слиз, утворений мікробною проліферацією, що контролюється окислювачами або біоцидами. У реальній роботі ці три компоненти часто співіснують і переплітаються, тому план очищення часто залежить від комбінації та послідовності «лугу-кислоти-окислювача», а не однієї хімічної речовини. Для жирних стічних вод органічне забруднення є головним винуватцем, а лужне очищення є основою; але якщо жорсткість потоку висока, кислотне очищення також є необхідним. Лише чітко визначивши тип забруднення, а потім обговоривши питання очищення, можна як ретельно очистити, так і уникнути пошкодження мембрани-саме в цьому полягає цінність хімічної стійкості керамічних мембранних матеріалів, а також це та область, яка найбільше потребує підтримки польових даних при проектуванні системи очищення.

Малюнок: Порівняння якісних рейтингів між керамічними мембранами та полімерними органічними мембранами за ключовими параметрами, такими як стійкість до забруднення, температурна стійкість, стійкість до хімічного очищення, термін служби та відновлення потоку (відносна ілюстрація, а не конкретні значення).

6. Його позиція у всій виробничій лінії: воротар попередньої обробки

Дивлячись на мембранну систему в межах усієї виробничої лінії, її позиція, як правило, є «сторожем попередньої обробки». Нагорі розташовані засоби попередньої обробки, такі як відділення масла, повітряна флотація та вирівнювальні баки, відповідальні за перше видалення більшості вільної нафти та важких зважених твердих речовин, захищаючи керамічну мембрану від пошкодження великими частинками та від миттєвого засліплення надмірною нафтою; нижчі за течією – передова обробка для повторного використання-зворотний осмос забезпечує опріснення, іонообмін – пом’якшення або видалення певних іонів, а біологічна стадія – розкладання розчиненої органічної речовини. Лише тоді, коли керамічні мембрани видаляють масло до достатньо низького рівня, ці нижчі частини можуть працювати спокійно: RO мембрани не будуть забиті маслом, смоли не будуть отруєні маслом, а біологічні резервуари не матимуть аерації, заблокованої масляними плівками. Можна сказати, що якщо цей керамічний мембранний бар’єр утримується, стабільність усього ланцюга повторного використання також виграє.

У наведеній нижче таблиці підсумовано ключові вузли, функції та особливості конструкції масло{0}}водовідділювальної системи керамічної мембрани, що полегшує-перевірку конфігурації на місці.

На цьому етапі робоча логікакерамічні мембрани для водовідділення нафтистає зрозуміло: це не ізольований «фільтр», а мініатюрна інженерна система «запобігання засміченню-перехресного потоку + поетапне утримання + відновлюване очищення + координація вище/вниз». Розуміння цього важливіше, ніж запам’ятовування будь-якого окремого параметра-оскільки коли проблеми виникають у полі, у дев’яти випадках із десяти вони виникають через «координацію системи», а не через «саму мембрану».

7. Операційна методологія: насамперед водний баланс

На робочому рівні все ще діє неодноразово перевірена методика: спочатку зробити водний баланс для уточнення обсягів води та призначення концентрату; потім класифікуйте якість води, щоб визначити, яка форма нафти переважає та який поріг якості води вимагає нижня течія; нарешті розрахуйте період окупності та загальну вартість володіння, щоб визначити масштаб системи та стратегію очищення. Тільки за умови ретельного виконання цих трьох кроків механізм керамічних мембран «як це працює» може справді перетворитися на стабільну чисту воду та придатну для відновлення нафту на вашій виробничій лінії.