Ортопермия: новая тенденция в технологиях снижения энергопотребления и выбросов в нефтехимической промышленности

Thread Content

　Позитивная осмоса – это новый тип технологии мембранного разделения. По сравнению с такими распространенными методами мембранного разделения, как ультрафильтрация, микрофильтрация и обратная осмос, ее наиболее значительной особенностью является отсутствие необходимости в использовании дополнительных устройств, таких как высоконапорные насосы, для обеспечения процесса разделения. Процесс позитивной осмосы происходит за счет разницы в осмотическом давлении самой жидкости. Эта технология приводит к относительно незначительному загрязнению мембраны, что позволяет осмосным мембранам работать в течение длительного времени без необходимости их очистки. Соединенные Штаты, Сингапур, Европа и другие страны уже давно проводят множество исследований в области технологии разделения с помощью осмосных мембран, и эта технология показала огромную практическую ценность в таких областях, как опреснение морской воды, обработка концентрированных соленых растворов и разделение химических продуктов. 　　Технологические исследования активизируются 　　Технология обратной осмоса, которая уже давно является предметом активных исследований в мире и постепенно играет важную роль в нефтехимической промышленности, также активно развивается в нашей стране. 　　“Технология обратного осмоса представляет собой эффективное и экономичное решение проблем, связанных с водными ресурсами и окружающей средой. Это очень практичная технология, безвредная для окружающей среды. ”Гао Цунцзи, академик Китайской академии инженерных наук и директор лаборатории мембран и мембранных процессов в Технологическом центре по обработке воды в Ханчжоу, принадлежащем Министерству океанов, недавно дал интервью журналистам газеты «Китайская химическая промышленность». “Технология обратной осмосной сепарации не только экономит энергию, является высокоэффективной и экологичной, но также позволяет использовать энергию осмоса в некоторых производственных процессах для снижения расходов на энергию. На заводах по производству соды и хлор-алькилидов требуется растворять большие объемы соли, а также концентрировать большие объемы соленой воды с высоким содержанием соли. Использование технологии обратного осмоса позволяет сочетать эти два процесса и полностью использовать энергию осмоса, что станет новым способом снижения энергопотребления и выбросов в промышленности неорганической химии. ”Хэ Тао, исследователь Шанхайского института передовых исследований Китайской академии наук, более подробно рассказал журналистам газеты «Китайская химическая промышленность» о роли технологии обратной осмоса в химической промышленности. 　　Как известно, в проекте по концентрации сточных вод, образующихся при добыче шейл-газа в бассейне Пермиан, в США для обработки отходов нефтехимической промышленности использовалась технология нормальной осмосной мембраны. Благодаря этому удается добиться нулевых выбросов; качество очищенной воды соответствует стандартам питьевой воды. Применение этой технологии обеспечивает высокую экономическую эффективность: она позволяет с низкими затратами приводить сточные воды нефтехимической промышленности до уровня, пригодного для использования в качестве питьевой воды, после чего их можно снова использовать в промышленных процессах. Кроме того, эта технология устраняет ущерб и загрязнение, наносимые нефтегазовой отраслью окружающей среде; она также позволяет фиксировать различные загрязнители, содержащиеся в сточных водах, тем самым обеспечивая условия «нулевых выбросов». 　　Ортопермеация также демонстрирует свою потенциальную ценность в таких областях, как опреснение морской воды, обработка концентрированных соленых растворов и разделение химических продуктов. В качестве примера можно привести процесс опреснения морской воды: с помощью технологии обратной осмоса удельный выход очищенной воды может быть повышен с 40% при использовании современных технологий до 85%. Кроме того, этот метод позволяет повысить концентрацию брома, магния и калия в концентрированной соленой воде, что способствует ее использованию в промышленных целях. Это значительно снижает затраты на опреснение морской воды, а также уменьшает загрязнение окружающей среды высокосоленой водой. Энергопотребление при использовании этой технологии составляет 70% от энергопотребления при использовании современных технологий. Сообщается, что британская компания Modern Water также использует мембраны для непрямой осмоса в процессе опреснения морской воды. 　　В настоящее время при обработке сточных вод в нашей стране часто возникают проблемы высоких энергозатрат, низкой эффективности и сложностей с обработкой концентрированных соленых растворов. Концентрированная соленая вода, выделяемая в таких отраслях, как отечественная угольная химия, сбрасывается непосредственно в емкости для испарения. При большом объеме воды или медленной скорости испарения зимой она даже превращается в резервуары для сточных вод. Использование технологии обратного осмоса позволяет повысить общее содержание солей в концентрированной воде до 20%, что значительно сокращает объемы отходов. Инвестиции снижаются как минимум на 30%, а затраты на эксплуатацию — на 70%. 　　Прорыв в двух ключевых технологиях. «В области мембран для процесса обратной осмоса во всем мире проводятся лабораторные и пилотные испытания. На международном уровне ещё нет крупных промышленных установок, использующих эту технологию. Однако мы отмечаем, что в США ведется инвестирование в развитие технологии обратной осмоса, и страна уже находится в авангарде в области материалов для мембран и их применения». В настоящее время необходимы инвестиции в рынок капитала, постоянные попытки и исследования с целью выявления наиболее перспективных областей применения технологий непрерывной фильтрации, а также совершенствования материалов для мембран. ”Так сказал Хэ Тао. В целом, чтобы технология обратной осмоса как можно скорее достигла прорыва, следует сосредоточиться на двух ключевых технологиях, лежащих в основе её применения в водоочистке: мембранах обратной осмоса и жидкости, используемой для процесса осмоса. В странах мира ведутся исследования с целью поиска более подходящих жидкостей для использования в качестве движущей силы процесса осмоса, а также более эффективных мембран. 　　Раствор для отбора — повышение стабильности и снижение энергозатрат на регенерацию. Раствор для отбора является ключевым фактором, обеспечивающим протекание процесса обратной осмоса. Раствор для отбора должен иметь более высокое осмотическое давление, чем исходный раствор, чтобы можно было создать разницу в осмотическом давлении, обеспечивающую движущую силу для процесса обратного осмоса. Движущей силой обратной осмоса является разница в осмотическом давлении по обе стороны мембраны, а выбор жидкости для отбора играет решающую роль в характеристиках мембраны для обратного осмоса. Следовательно, раствор, используемый для отбора жидкости, определяет характеристики и эффективность процесса обратной осмоса. Как одна из ключевых технологий позитивной осмоса, идеальная жидкость для отбора должна иметь высокую растворимость в воде и низкую относительную молекулярную массу, чтобы обеспечить высокое осмотическое давление ； Нетоксичен, стабилен в воде; небольшое количество остатков в получаемой воде не вредно для человека ； Не вступает в реакцию с мембраной для обратного осмоса, не нарушает её характеристик ； Может быть легко и экономично извлечен из воды, а также может использоваться повторно. 　　При использовании различных растворимых веществ в качестве растворителя возникает разная осмотическое давление. Кроме того, в процессе передачи веществ проявляются различные закономерности, а степень поляризации из-за разницы концентраций также отличается. Как спроектировать и разработать, а также выбрать растворы для осмоса, обладающие высоким осмотическим давлением, низким энергопотреблением, низкой стоимостью, возможностью восстановления, а также низкой или отсутствием токсичности, считается ключевой проблемой в разработке технологий обратного осмоса со стороны некоторых экспертов. Однако разработать идеальную жидкость для отбора, способную одновременно удовлетворять вышеуказанным требованиям, — нелегкая задача. 　　Исследователи последовательно изучали различные типы растворителей: летучие газы, неорганические соли, органические растворители и синтетические материалы. Среди них газы с кислотными или щелочными свойствами, такие как SO2 и NH3, обладающие высокой растворимостью. Растворы, получаемые с их использованием, имеют преимущества в виде высокого осмотического давления и большого объема пропускаемой воды. Однако для восстановления таких растворов необходимо затратить большое количество тепла, что приводит к высоким энергозатратам. Кроме того, газы вроде SO2 и NH3 являются коррозионными, что создает определенные риски для безопасности ； Соединения метилимидазола, полимерные электролиты и другие водорастворимые органические вещества имеют высокую относительную молекулярную массу; поэтому они плохо проникают под действием процесса обратной осмоса. Именно поэтому их используют в качестве растворителей ； Также были разработаны новые синтетические материалы, такие как магнитные наночастицы, оболоченные термочувствительными полимерами, и интеллектуальные гели, представляющие собой кополимеры ацетата содия и N-изопропилакриламида. Эти материалы имеют определенные преимущества с точки зрения снижения энергопотребления. Однако при многократном использовании у них возникает явление агрегации, что снижает пропускную способность воды. 　　Хэ Тао рассказал журналистам, что главной проблемой раствора для отбора является его стабильность: в процессе работы растворенные в нем вещества могут проникать обратно, что приводит к утечке в исходный раствор. Это увеличивает затраты и может способствовать загрязнению мембраны. Поэтому рекомендуется использовать простые, недорогие и легко доступные соли в качестве раствора-драйвера. Хэ Тао считает, что жидкость, используемая в процессе обратной осмоса, поступает из сырья, применяемого в технологическом процессе. Само сырье способствует процессу обратной осмоса, что позволяет получать воду и растворять в ней вещества. Это упрощает технологический процесс, а также позволяет повторно использовать сточные воды в производстве. Это с одной стороны позволяет снизить загрязнение окружающей среды, а с другой — уменьшить энергопотребление и затраты на оборудование. 　　Ли Юйпин, исследователь Института процессной инженерии Китайской академии наук, отметил, что, хотя для процесса обратной осмоса уже было разработано множество видов растворителей, эти исследования в основном ограничиваются лабораторными условиями, а практического опыта применения этой технологии в мире немного. Оценка характеристик раствора, получаемого в процессе осмоса, должна осуществляться на основе таких показателей, как пропускная способность воды и количество растворенных веществ, выделяющихся в результате обратного осмоса. Также важными факторами являются стабильность и удобство эксплуатации системы осмоса при ее работе в крупном масштабе и в течение длительного времени. 　　Ли Юйпин рассказал журналистам, что недостатком технологии осмоса является высокий уровень энергопотребления при восстановлении растворителя. Полимерные растворители, такие как сульфат натрия полиакрилата, имеют преимущество в виде низкой степени обратной осмосности. Однако у них большая молярная масса, а растворимость невысока. Показатель осмотического давления, который они могут создавать, может быть значительно ниже, чем у сильных электролитов или молекул малого размера. Кроме того, для восстановления таких полимерных растворителей требуется значительное количество энергии. Раствор аммония бикарбоната обладает высокой растворимостью; при ионизации в воде образуется высокое осмотическое давление. Основное преимущество заключается в том, что его можно разложить с помощью нагревания на газы, которые затем снова могут соединяться, что позволяет легко восстанавливать раствор. Технологические риски минимальны, поэтому её можно использовать в промышленных целях. Однако для восстановления аммония бикарбоната требуется значительное количество энергии. Кроме того, из-за процесса обратного осмоса на стороне входящей воды уровень аммиака может превышать допустимые значения (это происходит из-за очень большой разницы концентраций аммония бикарбоната по обе стороны мембраны). Чтобы восстановить аммиак без превышения его содержания в концентрированных отходах, необходимо извлекать аммиак из этих отходов, что ещё больше увеличивает потребление энергии. Следовательно, процесс регенерации раствора аммония бикарбоната путем простой осмосной диффузии не имеет преимуществ с точки зрения затрат. Другие маломолекулярные сильные электролиты, такие как хлорид натрия, могут регенерироваться с помощью процесса обратной осмоса через мембранную дистилляцию. Однако в сточных водах часто присутствуют органические вещества, из-за чего мембрана теряет свои гидрофобные свойства и происходит утечка жидкой воды. Поэтому этот метод затруднен для промышленного применения. 　　Мембраны для процесса обратного осмоса — повышение объема получаемой воды и устойчивости к загрязнениям. Го Цзунтунцян, высококвалифицированный специалист из компании Guangzhou Zhongke Testing Technology Services Co., Ltd., считает, что идеальная мембрана для процесса обратного осмоса должна обладать следующими свойствами: материал мембраны должен быть гидрофильным, чтобы повысить пропускную способность мембраны для чистой воды и её устойчивость к загрязнениям ； Селективно-проницаемый слой мембраны имеет высокую плотность, что обеспечивает эффективную удержку солей ； Толщина мембраны должна быть как можно меньше, чтобы снизить сопротивление прохождению воды, а также уменьшить поляризацию из-за разницы концентраций ； Имеет хорошую механическую прочность, способен выдерживать определённое давление и силу сдвига ； Мембранные материалы обладают определенной стойкостью к коррозии, могут использоваться в довольно широком диапазоне значений pH, стабильны по отношению к растворам, которые они поглощают; между ними не происходит химических реакций или физического адсорбирования, к тому же они способны выдерживать воздействие кислотных и щелочных чистящих средств. 　　По данным журналистских исследований, в настоящее время среди мембран для процесса обратного осмоса, изучаемых как внутри страны, так и за рубежом, есть мембраны на основе трехатомного целлюлозного ацетата (CTA), целлюлозного ацетата (CA), полибензимидазола (PBI), композитные мембраны на основе полиамида (PA), а также модифицированные композитные мембраны и мембраны для нанофильтрации. Хэ Тао сказал журналистам, что в настоящее время наиболее широко используются мембраны на основе целлюлозного ацетата. У мембран такого типа низкий уровень образования налета, однако существует множество проблем. Самой распространенной из них является то, что фактический объем производимой воды значительно ниже ожидаемого. Основная причина — поляризация из-за разницы концентраций. Поляризация из-за разницы концентраций возникает в результате увеличения концентрации растворенных веществ в сырой жидкости на стороне подачи из-за их накопления, а также в результате снижения концентрации жидкости, поступающей с другой стороны через мембрану, из-за разбавления её чистой водой. Основной причиной поляризации из-за разницы концентраций является то, что размер пор на поверхности мембраны превышает размер молекул растворенных веществ в жидкости; это приводит к тому, что концентрация растворенных веществ внутри пор значительно ниже, чем в основной массе жидкости, что в свою очередь снижает эффективную силу давления, необходимую для прохождения жидкости через мембрану. Проблема поляризации из-за разницы концентраций в процессе обратной осмоса также является важной темой для исследования. “Эти проблемы не имеют отношения к внутренним или внешним факторам — это проблемы всей отрасли. ”Так подчеркнул Хэ Тао. 　　Хэ Тао считает, что для получения мембран для процесса обратного осмоса с высоким коэффициентом пропускания воды, широким диапазоном значений pH, высоким уровнем десалинизации и хорошей стабильностью можно использовать различные материалы для мембран, а также изменять технологию их изготовления. В этом контексте материалы, получаемые путем интерфейсного полимеризации, могут стать ключевыми компонентами для успешной коммерциализации таких мембран. Основная причина заключается в том, что эта технология достаточно развита, и существует множество технологий, которые можно заимствовать из материалов для мембран обратного осмоса. Однако у материалов мембран для процесса прямой осмоса наблюдается особое явление поляризации из-за внутренней концентрационной разницы, поэтому к материалам-носителям предъявляются более строгие требования, чем при обратном осмосе. Кроме того, вода, обработанная с помощью мембран для обратного осмоса, проходит через множество сложных этапов предварительной обработки. Однако существует желание, чтобы вода после простой предварительной обработки могла сразу попадать на стадию обратного осмоса. Поэтому мембраны для прямого осмоса должны быть более устойчивыми к загрязнениям, связанным с коллоидами, органическими веществами и даже органическими растворителями. Дизайн материалов мембран и их компонентов является ключевым аспектом в этом контексте. 　　Лектор Шанхайского университета транспорта Чи Лина считает, что при синтезе мембран для процессов осмоса в будущем следует использовать более подходящие материалы, способные лучше противостоять коррозии под действием кислот, щелочей и солей ； Синтез мембран с более высокой чистотой воды и более низким импедансом ； Синтезировать пленки с более высокой прочностью и более тонкими поддерживающими слоями для снижения внутренней поляризации по концентрации ； Синтез симметричных мембран с высокой механической прочностью. 　　Индустриализация: нужно смотреть на вещи в более широком контексте. Разработка технологий и их применение в промышленности находятся в состоянии застоя. ”Хэ Тао сказал журналистам: «Дело не в отсутствии технологий, а в отсутствии стимулов». Хэ Тао, который с 2009 года участвует в исследованиях в рамках крупного фундаментального проекта «973» по технологии обратной осмоса, считает, что в настоящее время условия для индустриализации достижений в области технологических инноваций в Китае не такие совершенные, как в развитых странах, а рынок капитала ещё не сформировался ； Отечественные компании редко рискуют, инвестируя в перспективные технологии; промышленность зачастую отстает от научных исследований и обычно начинает масштабные инвестиции для коммерциализации только после того, как та или иная технология созревает. Кроме того, из-за асимметрии информации индустриализация процесса обратной осмоса также не может привлечь внимание инвесторов. 　　Ли Юйпин, многие годы занимающийся исследованиями в области ортопермии, считает, что ортопермия обладает определенными преимуществами при обработке соленых вод. Будущее обратной осмоса заключается в полном использовании его преимуществ и интеграции с другими процессами, такими как мембранная дистилляция. При условии разумного выбора жидкости для использования и процессов её восстановления, риски, связанные с технологией обратной осмоса, не являются значительными, даже если в настоящее время отсутствуют массово производимые мембранные продукты. Например, в стране имеются более совершенные теоретические основы и промышленная инфраструктура для разложения и соединения аммониум-бикарбоната, чем за рубежом. 　　Как известно, исследовательская группа Хэ Тао создала в Китае первый пилотный проект по процессу обратной осмоса; при этом с помощью хлорида натрия концентрация хлоридно-кальциевой соленой воды была повышена с 10% до 15–16% ； Были проведены тесты с использованием модулей из мембран с полыми волокнами для концентрации сточных вод с высоким содержанием солей, получаемых в угольной химической промышленности, а также для концентрации шламовых вод ； Был проведен анализ сточных вод на месторождении шейстового газа компании CNPC в Сычуани, с целью получения чистой воды из отходов производства шейстового газа. 　　Хэ Тао сказал журналистам, что инвестиции сопряжены с рисками, но у технологии прямой осмоса есть преимущества: за 3 года она может достичь нового уровня, а уже через 5 лет станут заметны её результаты. Если представители отраслей, связанных с прямым осмосом, а также инвесторы будут действовать с долгосрочной перспективой и проактивно, уделяя больше внимания таким передовым технологиям, как прямой осмос, будут готовы вкладывать средства в их развитие и брать на себя риски, то преодоление этого этапа индустриализации технологий неизбежно. 　　Радует тот факт, что в стране уже есть немногие компании, которые начали действовать. Компания Guozhong Water Services Co., Ltd. совместно с компанией Botian Environment Group Co., Ltd. и датской компанией AQP подписали официальное соглашение о сотрудничестве. Все три стороны совместно вложат средства в создание совместного предприятия, которое будет заниматься производством мембран на основе водопроводных белков в стране. Председатель компании Guozhong Water Resources Чжу Юнцзюнь считает, что продукты на основе водопроницаемых белков имеют большие перспективы применения в области процессов нормальной и обратной осмоса. Он отметил, что совместная компания уже готова с точки зрения финансирования, технологий и рынка, что создает основу для их промышленного внедрения. Как известно, в настоящее время эта технология находится на ранней стадии индустриализации. На начальном этапе проекта будет вложено 20 миллионов долларов в исследования и производство. В будущем ожидается, что общие затраты на создание производственных мощностей с производственной мощностью 5–6 миллионов квадратных метров в год составят 200 миллионов юаней. 　　В октябре прошлого года в Пекине была открыта первая в стране лаборатория по нулевым выбросам промышленных сточных вод с использованием технологии обратного осмоса, а также лаборатория по опреснению морской воды и её комплексному использованию. Эта лаборатория была создана совместно дочерней компанией China National Engineering Corporation — Пекинской компанией по технологиям воды WaterTech Co., Ltd. — и Исследовательским институтом нефтехимии города Фусунь, принадлежащим китайской корпорации Sinopec. Она позволяет достигать нулевых выбросов промышленных стоков, а также осуществлять полную моделировку процессов опреснения морской воды и её комплексного использования, включая проведение отдельных экспериментов на каждом этапе. В 2013 году компания Waterle вложила средства в американскую компанию Oasys, чтобы получить доступ к мирово передовым технологиям осмотической концентрации. В настоящее время первый пилотный установленный этой компанией в Хуанхуа, провинция Хэбэй, прибор для концентрации морской воды с использованием данной технологии уже находится в эксплуатации. Он обеспечивает надежные данные для исследований, связанных с опреснением морской воды и ее комплексным использованием.