Μονάδα Αφαλάτωσης Αντίστροφης Όσμωσης με Στοιχεία Σπειροειδούς Περιέλιξης

Abstract

Η πλήρης περιγραφή των στοιχείων σπειροειδούς περιέλιξης αντίστροφης όσμωσης είναι απαραίτητη για να μπορεί να γίνει εκτίμηση της απόδοσης του στοιχείου κάτω από διαφορετικές συνθήκες καθώς και να μπορεί να βελτιστοποιηθεί η απόδοση του. Στην συγκεκριμένη μελέτη αναπτύχτηκε μια μέθοδος περιγραφής στοιχείων σπειροειδούς περιέλιξης που συνδυάζει το μοντέλο της μη αντιστρέψιμης θερμοδυναμικής με τις μέσες τιμές της πίεσης, της παροχής και της συγκέντρωσης κατά μήκος του στοιχείου. Το μοντέλο της μη αντιστρέψιμης θερμοδυναμικής περιγράφει την ροή της διαλυταίας ουσίας διάμεσου της μεμβράνης μέσα από μηχανισμούς διάχυσης αλλά και από συμβατικούς μηχανισμούς. Η ανάγκη για χρήσεις μέσων τιμών έγκειται στο γεγονός ότι λόγω του τρόπου κατασκευής του στοιχείου σπειροειδούς περιέλιξης οι υδροδυναμικές συνθήκες δεν παραμένουν σταθερές σε όλο το μήκος του στοιχείου. Το γεγονός αυτό αποτελεί πρόβλημα γιατί η συγκέντρωση, η πίεση και η ροή μεταβάλλονται με άγνωστο τρόπο κατά μήκος του στοιχείου. Έτσι, πρέπει να αναπτυχτεί ένα μοντέλο που να μπορεί να προσδιορίσει τα μεγέθη αυτά. Για την εύρεση παροχών διαπέρασης και ποσοστών απόρριψης σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας έγινε χρήση του λογισμικού R.O.S.A. Τα αποτελέσματα αυτά αναλύθηκαν και προσαρμόστηκαν σύμφωνα με το μοντέλο της μη αντιστρέψιμης θερμοδυναμικής και υπολογίστηκαν οι τρεις φαινομενολογικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν την μεμβράνη του στοιχείου δηλαδή (1) η παράμετρος της υδραυλικής διαπερατότητας (2) η παράμετρος της διαπερατότητας διαλυμένης ουσίας και (3) ο συντελεστής ανάκλασης. Για τα στοιχεία αντίστροφης όσμωσης για μονοϊοντική παροχή τροφοδοσίας αλατιού NaCl ο συντελεστής ανάκλασης υπολογίστηκε ίσος με 1. Αυτό δείχνει ότι για τα στοιχεία μελέτης η ροή διαλυταίας ουσίας εξαρτάται μόνο από την διαφορά της συγκέντρωσης, στις δύο πλευρές του στοιχείου και ότι η ροή είναι γραμμική σχέση της ολικής διαφοράς πίεσης.

Nowadays, the access to water for the modern societies is considered to be more and more difficult. The water reserves’ abuse and pollution, as long as the increasing demand due to population increase, are some of the main reasons that have established water as a good in scarcity. Particularly in Greece, despite the fact that there are plenty of renewable water resources, it is clear that there is water scarcity in many areas, especially in islands. This is due to the irrational use of underground water and to the non uniform distribution of water resources throughout the country. One of the tools, that seem to have the potential to help in the struggle for ensuring our water efficiency, is seawater desalination. Desalination methods, that are being used today, can be categorized in two principal groups: thermal methods and membrane methods. The most important candidate for solving global water problems comes from the later group and it is called reverse osmosis. Reverse osmosis is based on the inversion of the natural osmosis phenomenon, for the separation of solutions with different salt concentrations. Today, it is estimated that more than 50% of the active desalination units use this method. Characterization of a spiral wound element is necessary to predict its performance under different operating conditions and to optimize a membrane separation process. In this study a novel technique to characterize spiral wound elements is developed. This technique combines a membrane transport model based on irreversible thermodynamics with the description of feed condition to describe the separation process in the spiral wound element. The irreversible thermodynamics model describes the solute transport through reverse osmosis membranes by diffusion as well as convection as opposed to the solution diffusion model that describes salt transport only by diffusive flux. Due to the asymmetrical circular geometry of the spiral wound element the hydrodynamics don’t remain uniform over the entire surface of the membrane. This is a problem because concentration, pressure and flow change in an unknown way as flow is develops. So a model that predicts those magnitudes is need it. Commercial software was used to obtain permeation data for varying deed flow rates feed concentration and applied pressure were best fit to the theoretical model to obtain the three phenomenological coefficients that characterize the element namely (1) the hydraulic permeability (2) the solute permeability and (3) the reflection coefficient of the element. For the reverse osmosis elements dealing with NaCl reflection coefficients was determined to be 1 which shows that total salt flux is determined by the concentration difference at two sides of element’s membrane and the permeation water flow is linear equation of the net pressure difference.