Zmniejszenie zużycia wody i odnowa wody to niektóre z głównych celów współczesnego przemysłu. Od ponad pół wieku, wymiana jonowa (IEX) jest popularnym rozwiązaniem technicznym do selektywnego usuwania jonów lub do doczyszczania permeatu odwróconej osmozy (RO) przy wysokich odzyskach. Jednak jedną z głównych wad technologii IEX jest wysokie zużycie środków chemicznych, co ostatecznie skutkuje dużą zawartością soli w ściekach poregeneracyjnych, czego użytkownik końcowy musi się pozbyć.
Opis technologii
Połączenie technologii odwróconej osmozy (RO) i elektrodializy bipolarnej (BPED) umożliwia wtórne wykorzystanie ścieków poregeneracyjnych przekształcając je w wartościowy produkt. W procesie elektrodializy bipolarnej wykorzystujemy układ trójkomorowy, gdzie membrana bipolarna współpracuje z membraną anionowymienną i z membraną kationowymienną. W wyniku dysocjacji cząsteczek wody w membranie bipolarnej do komór sąsiadujących z tą membraną transportowane są jony wodorowe i jony wodorotlenowe (Obraz 1).
Jednocześnie przez membrany monopolarne transportowane są do tych komór jony soli. W ten sposób w procesie elektrodializy bipolarnej powstają nowe produkty – kwas i zasada.
RO służy do zatężenia w ściekach poregeneracyjnych IEX do optymalnego punktu pracy dla BPED. Następnie BPED jest w stanie wytworzyć z koncentratu RO 4% strumienia alkalicznego (NaOH) i 5% strumienia kwaśnego (H2SO4 lub HCl w zależności od tego, co jest obecne w ściekach IEX).
Ten schemat umożliwia użytkownikom końcowym przekształcenie ścieków, za które w przypadku rzutu musieliby zapłacić, w wartościowy produkt (kwas i zasada), który można ponownie wykorzystać na miejscu lub odsprzedać.
Ścieki z IEX mogą występować jako oddzielone strumienie kwasu i zasady, które też można oczyszczać, ale według innego schematu niż ten przedstawiony w tym artykule. W tym konkretnym przypadku wymiana jonowa występuje w mieszanych złożach jonowymiennych, które są stosowane do uzupełnienia wody zasilającej kotły w rafinerii w Europie Południowej.
Z kolei ścieki po kwaśnej i alkalicznej regeneracji są mieszane przed utylizacją. Parametry tych ścieków IEX przedstawione zostały w tabeli 1.
Jak widać w poniższej analizie kosztów utrzymania, głównym czynnikiem eksploatacyjnym w technologii BPED jest zużycie energii, ponieważ układ musi być w stanie rozbić sole na jony, a cząsteczkę H2O na H+ i OH, co wymaga znaczną ilość energii elektrycznej. W porównaniu do stacji odsalania wody morskiej, która zużywa między 2,5-3,5 kWh/m3, BPED w celu rozszczepienia soli i cząsteczki wody może zużywać około 80-100 kWh/m3 energii elektrycznej. Dlatego za każdym razem należy przeprowadzić dokładną analizę uzasadnienia biznesowego, aby zapewnić opłacalność tego rozwiązania.
Analiza kosztów utrzymania
Poniższy schemat przedstawia podstawową zasadę stosowanych technologii.
Przepływy w tego typu instalacjach nigdy nie będą duże, ponieważ technologia IEX zwykle generuje mały odrzut. Przeważnie, ścieki poregeneracyjne z IEX zwykle stanowią między 1-5% całkowitego przepływu nadawy IEX, dlatego w przypadku zakładu przemysłowego z instalacją IEX o przepustowości 100 m3/h, ścieki po regeneracji będą w granicach 5 m3/h. Poniżej podział nakładów inwestycyjnych i kosztów operacyjnych pomiędzy technologie.
Jak widać na poprzednich wykresach, to koszt inwestycyjny BPED i koszt energii w BPED dyktują wykonalność tej technologii.
Zwrot kosztów inwestycji
Zwrot z kosztów inwestycji (ROI) tej aplikacji zależy od wielu czynników, wśród których głównymi czynnikami są cena rynkowa NaOH i koszt energii elektrycznej. Cena chemii oczywiście będzie się wahała w zależności od zapotrzebowanie i od regionu, ale zakładając podobne warunki to zwrot inwestycji będzie najszybszy tam, gdzie energia elektryczna jest najtańsza. Na podstawie poniższego konkretnego przykładu, zwrot kosztów inwestycji nastąpił po 5 latach.
Zaproponowany schemat pozwala nie tylko na wytworzenie wartościowego produktu (kwas i zasadę) ale także pozwala uniknąć problemów i przede wszystkim kosztów związanych z utylizacją tych ścieków przez dodatkowy układ oczyszczania.
Rozważania projektowe
Podsumujmy niektóre kwestie projektowe, które należy ocenić przy każdym projekcie:
- Cena rynkowa NaOH i cena energii elektrycznej są głównymi czynnikami wpływającymi na tę aplikacje. Konfiguracje BPED o najniższym zużyciu energii (takie membrany cienkowarstwowe) są kluczem do uzyskania akceptowalnego zwrotu kosztów inwestycyjnych.
- W przypadku, gdy ścieki poregeneracyjne z IEX ma wyższą twardość, może być potrzebna wyższa inwestycja nakładu inwestycyjnego, aby zapewnić, że koncentrat z RO spełnia specyfikację twardości wody surowej do technologii BPED.
Zmniejszenie współczynnika konwersji w BPED może mieć sens w celu zmniejszenia zużycia energii, nawet jeśli wydłuży to czas do osiągnięcia docelowego stężenia zasady i kwasu.
- W większości aplikacji system RO będzie wymagał materiałów superduplex w rurociągach wysokociśnieniowych. Stosowanie urządzeń do odzyskiwania energii (ERD) w systemie RO jest kwestią sporną, bo poza tym, że bardziej komplikuje układ i zwiększy koszty całego systemu to w rzeczywistości jego wpływ jest znikomy w porównaniu z kosztami eksploatacji elektrycznej BPED.
- Analiza kosztów jest bardzo wrażliwa na zmiany. Dla każdego przedsięwzięcia koniecznie trzeba sprawdzić jak szybko się zwróci inwestycja, aby zapewnić opłacalność projektu. Istniejący układ gospodarki osadowej (odparowanie lub oczyszczalnia ścieków) może również odgrywać kluczową rolę w opłacalności projektu.
- W schemacie mogą być wymagane skrubery do usuwania amoniaku ze strumienia zawierającego NaOH.
- W zależności od wytycznych końcowego strumienia alkalicznego i kwaśnego, dodatkowy stopień uzdatniania może być potrzebny po BPED. Siarczan sodu może występować w niskich stężeniach w końcowym strumieniu alkalicznym i kwaśnym.
Suez Water Technologies & Solutions
Robert Zsirai
tel. 515 224 141 robert.zsirai@suez.com
