Directe contact membraandestillatie
- Inleiding
- Procesfunctie
- Voordelen en nadelen
- Toepassingen in de procesindustrie
1) Inleiding
Membraandestillatie (MD) is een thermisch aangedreven transportproces dat gebruikmaakt van hydrofobe membranen. De drijvende kracht in de methode is het dampdrukverschil tussen de twee zijden van de membraanporiën, waardoor massa- en warmteoverdracht van de vluchtige componenten van de oplossing (bijv. water) mogelijk is. De eenvoud van MD, samen met het feit dat het gebruik kan maken van restwarmte en/of alternatieve energiebronnen, zoals zonne- en geothermische energie, maakt het mogelijk om MD te combineren met andere processen in geïntegreerde systemen, waardoor het een veelbelovende scheidingstechniek is.
Fig. 1, Restwarmtepotentieel per industriële sector in de EU (%), Voorlopige beoordeling van het restwarmtepotentieel in de belangrijkste Europese industrieën (2017)
2) Procesfunctie
Fig. 2, Vereenvoudigd schema van het MD-proces.
De drijvende kracht voor het MD-proces wordt geleverd door het dampdrukverschil dat wordt gegenereerd door een temperatuurverschil over het membraan. Omdat de drijvende kracht geen zuiver thermische drijvende kracht is, kan MD bij een veel lagere temperatuur (30-60 °C) worden uitgevoerd dan conventionele thermische destillatie. Het hydrofobe karakter van het membraan voorkomt dat watermoleculen het membraan binnendringen vanwege de oppervlaktespanning. Dit geldt echter niet voor waterdamp, die een drukverschil creëert en door het poriënstelsel van het membraan reist, waarna het condenseert aan de koelere zijde van het membraan. Het proces verwijdert ongeveer 85% van het water uit de voedingsoplossing en kan worden samengevat in drie stappen: (1) vorming van een dampspleet aan het grensvlak tussen de hete voedingsoplossing en het membraan; (2) transport van de dampfase door het microporeuze systeem; (3) condensatie van de damp aan het grensvlak tussen het koude membraan en de permeaatoplossing.
De manier waarop het dampdrukverschil over het membraan ontstaat, wordt bepaald door de configuratie van de MD-module. In de meest gebruikte configuratie, directe contactmembraandestillatie (DCMD), bestaat de permeaatzijde uit een condensatievloeistof (vaak schoon water) die in direct contact staat met het membraan. Als alternatief kan het verdampte oplosmiddel worden opgevangen op een condensatieoppervlak dat van het membraan kan worden gescheiden door een luchtspleet (AGMD) of een vacuüm (VMD), of kan worden afgevoerd via een koud, inert spoelgas (SGMD).
Fig. 3, MD-configuraties.
De keuze van het membraan is de meest cruciale factor voor de prestaties van MD-scheiding. Er zijn twee gangbare typen membraanconfiguraties,
- Holle vezelmembranen worden voornamelijk gemaakt van polypropyleen (PP), polyvinylideenfluoride (PVDF) en PVDF-polytetrafluorethyleen (PTFE) composietmateriaal.
- Vlakke membraanmembranen worden voornamelijk gemaakt van PP, PTFE en PVDF.
PTFE heeft de hoogste hydrofobiciteit, goede chemische en thermische stabiliteit en oxidatieweerstand, maar het heeft ook de hoogste geleidbaarheid, wat leidt tot een grotere warmteoverdracht door PTFE-membranen (waardoor het temperatuurverschil en de dampoverdracht worden verminderd). PVDF heeft een goede hydrofobiciteit, thermische weerstand en mechanische sterkte en kan gemakkelijk worden verwerkt tot membranen met veelzijdige poriestructuren. PP vertoont een goede thermische en chemische bestendigheid.
Fig. 4, Specifiek energieverbruik (SEC) van pekelbehandelingstechnologieën in kWh/m³ versus hun maximale TDS-capaciteit in mg/L (ppm). In serie hebben we Multi Stage Flash (MSF), Multiple Effect Distillation (MED), Mechanical Vapor Compression (MVC), Electrodialysis/Electrodialysis Reversal (ED/EDR), Forward Osmosis (FO), Membrane Distillation (MD). FO en MD kunnen restwarmte gebruiken voor tot wel 90% van hun thermische energiebehoefte.
3) Voordelen en nadelen
Voordelen:
- Lage energiebehoefte
- Wordt niet sterk beïnvloed door concentratiepolarisatie
- Theoretische afstoting van 100% van niet-vluchtige componenten, geen limiet op de voedingsconcentratie
De voordelen van MD, in vergelijking met conventionele scheidingsmethoden, zijn voornamelijk de lagere druk en de lage temperatuurvereisten (30-60 °C), wat leidt tot lagere energiekosten en minder belastende mechanische eigenschappen voor de modules. In tegenstelling tot destillatie en RO kan de voedingsoplossing worden gescheiden bij een temperatuur onder het kookpunt (bij atmosferische druk). Door de lage warmtebehoefte kan industriële restwarmte worden gebruikt, evenals hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-, wind- en geothermische energie. In vergelijking met RO is MD bovendien minder gevoelig voor fluxbeperkingen als gevolg van concentratiepolarisatie. Zeer lage invoertemperaturen kunnen redelijk hoge productiesnelheden van water opleveren en kunnen praktischer zijn gezien de aard van sommige waterverontreinigingen (bijv. kalkaanslag bij hoge temperaturen). Theoretisch gezien biedt MD 100% retentie voor niet-vluchtige opgeloste stoffen, waarbij er geen limiet is aan de toevoerconcentratie.
Nadelen:
- Relatief hoog energieverbruik (hoewel de energiebron een lage temperatuur heeft)
- Relatief hoge modulekosten
- Lage flux in vergelijking met andere drukgestuurde membranen
- Oppervlakteactieve stoffen of amfifiele verontreinigingen kunnen leiden tot bevochtiging van het membraan (zoute toevoer lekt door het membraan en verontreinigt het permeaat)
De belangrijkste factoren die de industriële toepassing van MD nog steeds belemmeren, zijn de relatief lage permeaatflux in vergelijking met drukgestuurde membraanprocessen, fluxreducties veroorzaakt door concentratiepolarisatie, vervuiling en poriebevochtiging van het membraan, de hoge kosten van MD-modules en het hoge thermische energieverbruik.
4) Toepassingen in de procesindustrie
|
Directe contact membraandestillatie