Осмотический обратный осмос, моделируемый для достижения высоких концентраций растворенных веществ при низком потреблении энергии.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13741 (2022) Цитировать эту статью

1764 Доступа

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Микробный электросинтез (МЭС) — это новая технология устойчивой очистки сточных вод. Разбавленный раствор ацетата, полученный с помощью MES, необходимо рекуперировать, поскольку хранение и транспортировка разбавленных растворов может оказаться дорогостоящей. Ацетат является дорогостоящим и экологически вредным для извлечения теплоемкими испарительными методами, такими как дистилляция. В целях лучшей экономии энергии моделируется система мембранного разделения, повышающая концентрацию с 1 до 30% масс. при гидравлическом давлении примерно 50 бар. Затем концентрат моделируется для термической сушки. Обратный осмос (RO) может повысить концентрацию ацетата до 8% масс. Затем моделируется новая адаптация обратного осмоса с осмотическим содействием (OARO) для увеличения концентрации с 8 до 30% масс. Включение OARO, а не отдельной установки обратного осмоса, снижает общую потребность в тепловой и электрической энергии в 4,3 раза. Это увеличивает требуемую площадь мембраны в 6 раз. Моделирование OARO проводится с использованием модели внутренней концентрационной поляризации (ICP). Перед использованием модели она адаптируется к экспериментальным данным OARO, полученным из литературы. В результате подбора модели определены размер мембранной структуры 701 мкм и коэффициент проницаемости 2,51 л/м2/ч/бар.

Микробный электросинтез (МЭС) — это новая технология очистки сточных вод, в которой уксусная кислота (АК) является наиболее широко изучаемым побочным продуктом2,19,36. Гадкари и др.20 исследовали MES на предмет возобновляемого производства ацетата путем потребления отходов углекислого газа, образующихся в результате других процессов. Самым большим препятствием на пути такой адаптации процесса MES оказались низкие концентрации продукта, особенно в режиме непрерывной работы10,48. Было обнаружено, что извлечение ацетата при таких низких концентрациях нецелесообразно. Кроме того, полученный АК исследуется в качестве субстрата для процессов MES для производства топлива и других дорогостоящих продуктов21. Неиспользованный субстрат необходимо удалить в соответствии с экологическими требованиями.

Отделение АК от воды является сложным, дорогим и экологически обременительным42,62,64. Если на каждый моль АК в растворе добавить моль гидроксида натрия, образуется соль ацетата натрия, которая гораздо менее проницаема, чем АК. Следовательно, его можно отделить с помощью обратного осмоса (RO) гораздо эффективнее. Полученная соль является товарной, она дороже уксусной кислоты и может быть преобразована обратно в соответствующие летучие жирные кислоты и спирт. 1 мас.% раствор ацетата натрия предполагается как оптимистичная, но реалистичная концентрация для подачи в исследуемую здесь систему разделения.

Дистилляция и тепловая сушка являются одними из широко используемых методов разделения в перерабатывающих отраслях. Такие теплоемкие системы разделения считаются жизнеспособными, отчасти из-за наличия дешевого невозобновляемого тепла. Более энергоэффективные технологии разделения, которые могут получать энергию из возобновляемых источников, являются предпочтительными как по экономическим, так и по экологическим соображениям. Примером подходящего метода для концентрирования водных растворов является мембранная сепарационная система с возобновляемым источником энергии. Такие системы часто во много раз более энергоэффективны, чем испарительные альтернативы, из-за необычно высокой скрытой теплоты испарения воды.

Когда полупроницаемая мембрана помещается между двумя растворами различной молярной концентрации, вода проникает со стороны мембраны с более низкой концентрацией на сторону с более высокой концентрацией. Это явление называется прямым осмосом (FO). Потоку воды через мембрану можно препятствовать, применяя соответствующее гидравлическое давление против осмотического потока воды. Разница гидравлического давления на мембране, приводящая к нулевому потоку воды, представляет собой разницу осмотического давления между двумя растворами. Если гидравлическое давление против естественного потока превышает разницу осмотического давления, вода проникает со стороны мембраны с более высокой концентрацией на сторону с более низкой концентрацией. Это явление, известное как обратный осмос (ОО), широко используется для извлечения воды из водных растворов и концентрирования растворенного вещества.