Примеры применения мембранных контакторов для удаления кислорода из воды

Российский химико-технологический  университет

Им. Д.И.Менделеева

 

 

 

Кафедра Мембранной технологии

 

Реферат на тему: «Примеры применения

мембранных контакторов  для удаления кислорода из воды»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка группы ТМ-54

Картавцева Е.А.

Проверил Видякин М.Н.

 

 

 

Москва,2013

 

 

Содержание:

1.Введение

2.Типы мембранных контакторов

3. Удаление кислорода из питающего потока при помощи половолоконных мембранных контакторов.

4. Удаление растворенного кислорода путем каталитического восстановления кислорода водородом на палладиевом катализаторе с образованием воды.

5.Области применения

6.Заключение

7.Список литературы

 

 

1.Введение.

     Мембранный контактор – система, которая позволяет осуществить селективный перенос компонентов через мембрану, которая играет роль физической границы раздела между двумя фазами. В этом случае функция мембран иная, чем в общих мембранных процессах (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, микрофильтрация), – отделить компоненты один от другого или от растворителя. Функция мембран здесь – служить межфазной поверхностью и благоприятствовать (способствовать) переносу соединений из фазы А в фазу В. Эти фазы А и В могут быть жидкостями или газообразными веществами. Используемые для этого мембраны являются мезопористыми мембранами со средним радиусом пор 0,05–0,2 мкм.

     Когда процесс протекает нормально, перенос вещества осуществляется обычно диффузией в порах мембран, без конвективных потоков.

     Перенос вещества в материале, составляющем мембрану, является часто незначительным. В этом случае мембрана не вносит вклад в селективность разделения: эффективность разделения связана с термодинамикой (равновесием между фазами, изменением состава фаз) и гидродинамикой с разных сторон мембраны.

     Движущей силой процесса переноса является градиент концентраций или парциальное давление и/или термический перенос. Для некоторых мембранных контакторов перенос вещества и термический перенос могут быть связаны между собой.

     Выбор мембраны и ее свойств (гидрофобность, распределение пор по размерам) обусловлен сущностью процесса.

     Содержание растворенного кислорода в воде сравнительно мало (при нормальных условиях порядка 8 мг/л), однако некоторые производства, такие как микроэлектроника, энергетика и пищевая промышленность выставляют достаточно жесткие требования по снижению концентрации кислорода в воде.

     В пищевой промышленности кислород, растворенный в воде, ухудшает качество ряда продуктов, например, становится причиной снижения стойкости пива к старению. В энергетике с целью продления срока службы тепловых сетей и оборудования свыше 10 лет содержание кислорода в воде должно быть на уровне 5 мкг/л, при этом не отлагается накипь и уменьшается коррозия оборудования.

     Однако наиболее строгие требования к качеству ультрачистой воды предъявляет полупроводниковая промышленность — в некоторых случаях требуемый уровень не должен превышать 1 мкг/л. На всех предприятиях микроэлектронной промышленности сегодня расходуется огромное количество сверхчистой воды.

     Сверхчистая вода отсутствует на рынке как коммерческий продукт. В микроэлектронной промышленности она производится непосредственно на предприятиях и по трубопроводам подается в цеха на места ее использования.

     В настоящее время ультрачистая вода часто используется для промывки кремниевых подложек при производстве интегральных схем. Присутствие растворенного кислорода становится причиной образования оксидного слоя на поверхности подложки, скорость роста которого зависит от времени взаимодействия воды с поверхностью и от концентрации растворенного кислорода. Образование оксидного слоя происходит даже тогда, когда используется ультрачистая вода с низким уровнем растворенного кислорода 40–600 мкг/л.

     Удаление растворенного кислорода из воды можно проводить как физическими, так и химическими методами. Химические методы позволяют выполнить глубокую реагентную очиcтку воды от растворенного кислорода. Однако традиционные химические методы, например восстановление гидразингидратом или сульфитом натрия при повышенных температурах, имеют существенный недостаток — введение примесей, реагентов в воду в процессе очистки. Широко известные физические методы, такие как термическая или вакуумная дегазация, азотная пузырьковая деаэрация являются дорогостоящими, требуют больших размеров установки и имеют небольшую площадь активной поверхности на единицу объема. Кроме того, с помощью данных подходов достаточно сложно снизить концентрацию растворенного кислорода с нескольких частей на миллион до уровня нескольких частей на миллиард.

     Удаление растворенного кислорода возможно при  помощи половолоконных мембранных контакторов под действием вакуумной дегазации. Так же перспективным химическим методом удаления растворенного кислорода является процесс каталитического восстановления кислорода водородом на палладиевом катализаторе с образованием воды. Существенным недостатком таких методов является необходимость предварительного насыщения воды водородом. Данная проблема сегодня  частично решается в промышленности с помощью применения специальных форсунок или мембранных контакторов. Таким образом, существующие каталитические методы удаления требуют проведения процесса в две стадии:

a) предварительное растворение  водорода в воде ;

б) последующее восстановление растворенного кислорода в воде водородом напалладиевом катализаторе.

     Первые мембранные контакторы появились в конце 70-ых годов прошлого столетия, и основным их назначением было насыщение крови кислородом, которое достигалось из-за использования мезопористых гидрофобных мембран. В настоящее время мембранные контакторы представляют собой быстро развивающейся способ разделения различных жидкостей и газовых смесей. Они обеспечивают лѐгкий селективный перенос компонента или вещества между двумя жидкими фазами или жидкой и газовой фазами. Мембрана выполняет функцию границы раздела фаз.

 

2.Типы мембранных  контакторов.

     Различают следующие типы мембранных контакторов, согласно контактирующим фазам и типу осуществляемого переноса.

 Контакторы газ/жидкость.

      Первые мембранные контакторы появились в 70-х годах. Они были предназначены для насыщения крови кислородом и основывались на использовании мезопористых гидрофобных мембран. На их основе были созданы контакторы типа газ/жидкость, предназначенные для осуществления переноса газ/жидкость или жидкость/газ (абсорбция или десорбция), в котором соединение могло бы быть перенесено из газовой фазы в жидкую или из жидкой фазы в газовую.

     Мембранные контакторы газ/жидкость являются объектами промышленного использования в следующих процессах: удаление кислорода из воды, с целью производства ультрачистой воды для полупроводниковой промышленности, насыщение напитков СО2 (например завод «Pepsi» в США), удаление кислорода из воды для производства тяжелой воды, дегазация органических растворов, насыщение воды углекислым газом, производство чистой воды из физиологических растворов для медицины, насыщение пива азотом. Одной из многообещающих областей применения мембранных контакторов является перенос газов в вязких растворах.

Контакторы жидкость/жидкость.

     Наиболее изученным мембранным контактором является процесс экстракции жидкость/жидкость на мембране. Возможны два типа конфигураций контакторов:

  Либо рабочий раствор приводится в контакт с растворителем при помощи мембраны, при этом растворенное вещество извлекается растворителем: граница раздела фаз растворитель/раствор локализована на мембране. Этот процесс называется мембранной экстракцией.

  Либо одна из фаз в мембране (часто – органическая фаза) является неподвижной, она приводится в контакт с одной и с другой стороны мембраны с двумя другими жидкими фазами: тем самым образуется система из трех фаз и двух межфазных поверхностей. Этот процесс называется перстракцией, в нѐм используют импрегнированные жидкие мембраны.

     Мембранные контакторы применяют в извлечении тяжелых металлов и органических соединений из водных растворов; выделении карбоновых кислот или других веществ из ферметационных сред. Их используют при удалении кислых газов из смесей, оксигенации крови, разделении смесей олефин/парафин и для многих других процессов.

Мембранные контакторы, предполагающие изменение фаз.

     Некоторые мембранные контакторы предполагают испарение некоторых соединений из водных растворов. Движущая сила в таких процессах может быть связана с градиентом парциальных давлений, и в этом случае говорят об изотермической дистилляции. В некоторых случаях градиент температур накладывается на градиент парциальных давлений. Различают мембранную дистилляцию под вакуумом или в потоке газа, которые аналогичны операциям, связанным с обычной дистилляцией, и для которых подложкой служит мезопористая гидрофобная мембрана с границей раздела фаз газ/жидкость. При этом летучие соединения концентрируются в пермеате, который находится под вакуумом или продувается инертным газом. Наиболее интересными областями применения для двух этих процессов является удаление сложных органических соединений из воды, сепарация азеотропов, концентрирование минеральных кислот и производство безалкогольного вина при температуре окружающей среды, без денатурации.

     Каким бы ни был тип мембранного контактора, принципиальными особенностями его по отношению к обычным контакторам, встречающихся в технологических процессах, являются:

• большая поверхность контакта, что приводит к использованию компактного оборудования;
• разделение двух фаз мембраной одновременно;
• модулируемость;
• возможность автоматизации процесса.

 

3. Удаление кислорода  из питающего потока при помощи  половолоконных мембранных контакторов.

     Удаление растворенного кислорода из питающего потока – это важный шаг для защиты емкостей от коррозии, для предотвращения снижения теплопроводности и селективности. С недавних пор мембранные контакторы применяются для дегазации питающих потоков с помощью вакуумирования. Разделение происходит за счет того, что питающий поток подается в межтрубное пространство, а внутри полых волокон создается вакуум. Мембраны изготавливаются из гидрофобного полипропилена.

 

Принцип действия.

Схема установки представлена на Рис 1.

     Вода из резервуара подается центробежным насосом через фильтр для удаления частиц больше 5 мм и затем в межтрубное пространство половолоконного модуля. Тем временем внутри полого волокна создается вакуум при помощи вакуумного насоса. Таким образом, из воды удаляется растворенный в ней кислород. Вентили А и В могут использоваться для изменения направления воды, протекающей в половолоконном модуле. Автоматически измеряется концентрация растворенного кислорода на выходе из дегазирующего модуля.

Рис 1.

1-емкость для исходной  воды; 2 – цетробежный насос; 3-фильтр; 4-расходомер; 5- половолоконный мембранный модуль; 6-измеритель растворенного кислорода; 7 – вакуумный насос; 8-водяной термостат.

 

     Благодаря своей эффективности, компактности и энергосберегательности, половолоконные мембранные контакторы для извлечения кислорода наиболее широко применяются в подготовке сверхчистой воды для микроэлектроники, фармацевтики и других производств. Использование мембранных контакторов для деаэрации позволяет отказаться от потребления пара, использующегося в традиционных системах деаэрации, что приводит к снижению эксплуатационных затрат. Таким образом, замена громоздкого оборудования компактными установками мембранной дегазации (деаэрации), позволит сократить расходы и площади. Срок окупаемости составляет не более 2-3-х лет.

 

 

4. Удаление растворенного кислорода путем каталитического восстановления кислорода водородом на палладиевом катализаторе с образованием воды.

Технология нанесения  палладиевого катализатора на внешнюю  поверхность пористых мембран в виде наноразмерных частиц позволила совместить в одном модуле преимущества высокоэффективных контакторов газ-жидкость с высокой глубиной очистки воды характерной для химических реакторов (рис.2.1). Важным достоинством данного комбинированного подхода является реализация одностадийного процесса удаления из воды растворенного кислорода при комнатной температуре без стадии барботажа водорода в воде

 

    Принцип действия.

     Принцип действия заключается в том, что вода, содержащая растворенный кислород, омывает мембрану с внешней стороны, а водород, используемый в качестве восстановителя, подается внутрь пористой половолоконной мембраны и диффундирует через поры мембраны к внешней палладированной поверхности, где и протекает реакция восстановления кислорода водородом с образованием молекул воды при комнатной температуре.

Разработанный метод нанесения  палладия на внешнюю поверхность  полимерных мембран позволяет получать каталитические мембраны с количеством палладия менее 5 масс. %. Нанесенный палладий представляет собой не сплошной слой металла на поверхности пористых половолоконных мембран, а дисперсную систему кластерных образований, обеспечивая развитую поверхность катализатора, что является одним из условий эффективности его использования.

Рис. 3.1. Принцип одностадийного удаления растворенного кислорода из воды в мембранном контакторе/реакторе.

     При пилотных испытаниях каталитического мембранного контактора/реактора в режиме рециркуляции воды (температура 200C) концентрация растворенного кислорода в воде была снижена более чем на 4 порядка до уровня 1 мкг/л и ниже, только за счет каталитической реакции. Это позволяет исключить неминуемо высокие расходы газа или пара по сравнению с традиционным процессом физической сдувки. Полученные результаты соответствуют самым жестким требованиям, предъявляемым промышленностью к ультрачистой воде в настоящее время. Продолжительные полугодовые испытания показали высокую стабильность каталитической активности мембранных контакторов. Было установлено, что даже в случае отравления катализатора или его деактивации возможно повторное нанесение палладия на поверхность мембран эксплуатируемого мембранного контактора/реактора.