Pengolahan air olahan kilang melalui Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) energi rendah

Pengolahan air olahan kilang melalui Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) energi rendah

Abstrak

Jumlah air kilang yang dibuang ke lingkungan dari industri minyak telah meningkat pesat di masa sekarang. Penelitian terbaru telah berfokus pada penggunaan teknologi membran untuk pengolahan air olahan kilang. Membrane Distillation (MD) adalah teknologi baru yang ditandai dengan kebutuhan energi yang rendah dan efisiensi desalinasi yang tinggi. Namun, membran MD konvensional (yaitu PVDF) tidak layak untuk proses pemisahan minyak-air. Itu karena sifat oleo-philic membran dan dengan demikian, menyebabkan pengotoran membran dan menghentikan produksi fluks massa. Membran anti-minyak-pengotoran sangat penting untuk pemisahan minyak-air yang sukses oleh MD. Underwater-oleophobic serta omniphobic adalah dua pendekatan berbeda dalam membuat membran tersebut. 

Pendekatan pertama didasarkan pada keterbasahan permukaan asimetris, sedangkan yang terakhir dikaitkan dengan struktur permukaan yang ditandai dengan memiliki sudut kontak yang sangat besar untuk semua cairan. Namun, membran komposit tersebut dicirikan oleh porositasnya yang lebih rendah, ukuran pori yang lebih kecil, tetapi dengan selip permukaan yang unik, dibandingkan dengan membran PVDF konvensional. Dengan demikian, dalam pekerjaan ini, simulasi numerik DCMD dengan ketelitian tinggi dilakukan menggunakan model yang divalidasi Computational Fluid Dynamics (CFD) non-isotermal untuk menilai peran sifat membran anti-minyak terhadap kinerja DCMD. 

Hasil disajikan dalam hal koefisien polarisasi suhu, fluks massa, fluks panas laten, dan efisiensi termal. Hasil menunjukkan efek kompromi porositas membran hingga 45% mengurangi fluks massa dan efisiensi termal masing-masing sebesar 68% dan 40%, dan pengurangan ukuran pori hingga setengahnya (yaitu 50 nm) dapat menyebabkan pengurangan fluks massa sebesar 50,6% dan 24,18% dalam efisiensi termal dibandingkan dengan baseline (yaitu 100 nm). Di sisi lain, efek selip omnifobik menghasilkan peningkatan yang nyata sebesar 16% dalam fluks massa DCMD dengan sedikit peningkatan dalam efisiensi termal. Hal ini dapat memaksimalkan fluks massa dan efisiensi termal masing-masing sebesar 50,3 kg/m2 jam dan 69%.

1. Pedahuluan

Di seluruh dunia, permintaan minyak dan gas meningkat, dan ekstraksi produk minyak bumi menyebabkan produksi besar air limbah berminyak. Karena minyak mentah dan gas yang ditambang lebih disempurnakan di mana sejumlah besar air digunakan. Proses seperti pendinginan, penghilangan garam, pembilasan, serta luapan air permukaan dan air limbah sanitasi adalah sumber yang berbeda dari air limbah berminyak. Produk sampingan akhir dari proses penyulingan disebut “air penyulingan” (atau air olahan) dan dicirikan oleh ion anorganik terlarut yang rendah, dan tingkat Permintaan Oksigen Kimia (COD) yang tinggi (yaitu 300–800 ppm, dan minyak konten hingga 3000 ppm dengan sangat tergantung pada kompleksitas proses kilang. Selanjutnya, air kilang dibuang, atau digunakan kembali dan kadang-kadang sebagai air irigasi. 

Malpraktek ini menyebabkan tekanan lingkungan yang serius; dengan demikian, adalah prioritas utama bagi industri penyulingan minyak bumi untuk memulihkan minyak yang terkontaminasi air dan padatan tersuspensi dan bahan kimia lainnya ke tingkat perlindungan laut yang ditetapkan oleh lembaga lokal atau internasional, yaitu Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat (USEPA) dan Perlindungan Lingkungan Laut. Atlantik Utara-Timur (OSPAR) yang mengamanatkan berada di bawah 42 ppm

Di UEA, peraturan lingkungan membatasi kandungan minyak dan lemak dari semua pembuangan limbah industri ke Teluk Arab sebesar 10 ppm. Pabrik kilang komersial saat ini tidak memenuhi peraturan tersebut. Oleh karena itu, mengintegrasikan teknologi pemisahan minyak-air yang efektif dengan biaya yang efektif untuk proses kilang diperlukan. Pemisahan membran merupakan teknologi yang ramah lingkungan dan hemat energi dengan hasil kualitas air yang lebih tinggi dibandingkan dengan teknik pengolahan konvensional (yaitu pengolahan biologis, kimia, dan fisik), yang dianggap cocok untuk pengolahan kilang tahap terakhir. 

Ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF), reverse osmosis (RO), dan distilasi membran (MD) adalah teknologi membran yang paling menonjol. Namun, MD mendapatkan lebih banyak perhatian oleh komunitas riset belakangan ini, dan itu karena suhu operasinya yang rendah (yaitu 40-70 °C) dan hampir 100% penolakan padatan terlaru. MD adalah proses pemisahan yang digerakkan secara termal, di mana umpan panas didaur ulang di satu sisi membran berpori hidrofobik dan aliran segar dingin didaur ulang di sisi lain. Gambar 1 mengilustrasikan sistem Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) pada konfigurasi yang paling sederhana.

Sebuah membran hidrofobik non-pembasahan adalah komponen prinsip untuk MD sukses. Padahal, keberadaan minyak dan senyawa organik lainnya di air olahan kilang menjadi kendala dan menghentikan operasi MD. Kandungan ini menyebabkan pembasahan dan mengakibatkan penyumbatan pori-pori membran, sehingga menyebabkan membran fouling dan meminimalkan fluks permeasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 .

Membran MD konvensional adalah non-oleophobic dan dengan demikian, tidak layak untuk umpan air berminyak. Studi ekstensif telah dilakukan akhir-akhir ini dengan fokus pada peningkatan sifat permukaan membran mengenai aplikasi pemisahan minyak-air. Secara umum, ada dua pendekatan utama untuk meningkatkan anti-minyak-fouling membran: (i) membran komposit hidrofilik/hidrofobik, dan (ii) membran komposit omnifobik/hidrofobik . Dimana elemen kunci dari kedua komposisi tersebut adalah untuk mengurangi adhesi minyak pada permukaan membran sehingga mengurangi fouling dan meningkatkan produktivitas air tawar.

Pendekatan pertama didasarkan pada permukaan energi rendah oleophobic bawah air yang telah dikembangkan baru-baru ini. Mengacu pada hubungan keterbasahan Young, permukaan ini biasanya hidrofilik setelah terkena media udara. Untuk MD pemisahan minyak-air, ini menjelaskan perlunya memiliki membran komposit lapis ganda dengan keterbasahan yang tidak sama dari lapisan atas permukaan oleophobic bawah air diikuti oleh lapisan hidrofobik. Namun, komposisi tersebut menyebabkan pengurangan ukuran pori, dan dapat berisiko basah. Hal ini dikaitkan dengan kemungkinan melapisi pori-pori bagian dalam dari lapisan hidrofobik di bawahnya dengan lapisan hidrofilik. Titanium oksida, selulosa, Fluorosurfaktan adalah beberapa contoh pelapisan permukaan hidrofilik. Ulasan ringkasan yang ditabulasi diilustrasikan pada Tabel 1.

Di sisi lain, pendekatan kedua untuk mendapatkan membran anti-minyak didasarkan pada bahan omniphobic, yang mampu menolak air atau cairan lain dengan tegangan permukaan rendah (yaitu minyak). Menggunakan bahan ini memastikan kesetimbangan termodinamika antarmuka cair-padat-uap dan memenuhi keadaan Cassie-Baxter. Permukaan omnifobik ini memiliki kemampuan untuk menciptakan antarmuka yang kuat dengan sudut kontak nyata lebih besar dari 150 ° terlepas dari tegangan permukaan cairan yang bersentuhan. Selain itu, permukaan omniphobic menginduksi slip cairan pada batas permukaan membran. Ini terakreditasi untuk struktur mikro/nano ganda dari status Cassie-Baxter, serta lapisan energi permukaan rendah. Slip cair, memang, memiliki efek yang menguntungkan pada momentum dan aliran panas dalam aplikasi saluran mikro.

Dari literatur (lihat Tabel 1), terlihat bahwa semua membran anti-minyak-fouling menyebabkan fluks turun tajam karena perubahan sifat membran. Dengan demikian, studi ekstensif tentang pengaruh membran ini (yaitu ukuran pori dan porositas serta kondisi operasional yaitu slip vs tanpa slip, dan Re) pada kinerja MD dilakukan dalam pekerjaan ini menggunakan non-slip yang divalidasi secara eksperimental. Dinamika Fluida Komputasi isotermal (CFD) dan model DCMD yang dipasangkan secara termal yang menargetkan pemisahan minyak/air.

2 Lingkup pekerjaan

2.1 Model numerik dan persamaan yang mengatur

Pada penelitian ini akan dilakukan studi numerik pada Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) non-isotermal yang digabungkan secara termal dengan membran berpori padat. Dimensi panjang 210 mm dan tinggi 1 mm per saluran dengan membran terjepit 0,13 mm telah diadopsi untuk simulasi modul DCMD. Skema pengaturan sistem dalam aliran arus berlawanan diilustrasikan pada Gambar 3.

Sebuah sistem aliran 2D simetris didiskritisasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Menggunakan jenis mesh segiempat terstruktur dan resolusi yang wajar untuk menangkap lapisan batas dinding. Ukuran mesh ini adalah 2100 × 64 per saluran dan 2100 × 8 untuk membran. Persamaan yang mengatur sistem adalah persamaan Navier-Stokes dan energi tak termampatkan tetap terkonjugasi, dan ditulis sebagai:

di mana U dan V adalah komponen kecepatan, adalah densitas, adalah viskositas, P adalah tekanan, gy adalah percepatan gravitasi, T adalah suhu, Cp adalah panas jenis, k adalah konduktivitas termal, dan Sh adalah wastafel/sumber panas tambahan.

Kondisi batas ditentukan oleh kondisi aliran masuk dan dinding Dirichlet (kecepatan dan nilai suhu yang ditentukan) dan gradien kecepatan-nol keluar dan kondisi tekanan atmosfer konstan Neumann (gradien nol). Dalam kasus dasar, dinding tidak mengalami slip dan tidak ada kecepatan penetrasi. Namun, studi sensitivitas pada slip B.C. dilakukan dalam pekerjaan ini dan akan dijelaskan lebih lanjut. Secara termal, dinding membran digabungkan sementara dinding luar kedua saluran diisolasi (Neumann dengan gradien nol, yaitu fluks panas nol). Kondisi batas ini diringkas dalam Tabel 2. Potongan dari mesh dasar yang ditetapkan dan kondisi batas domain komputasi ditunjukkan pada Gambar 4.

Bilangan Reynolds 10 dan 100 ditetapkan untuk kondisi aliran untuk air garam/umpan dan segar/permeat ditetapkan pada. Ini setara dengan kecepatan yang ditentukan masing-masing 0,01 m/s dan 0,1 m/s. Temperatur umpan pada 75 °C, sedangkan permeat pada 25 °C. Solusinya dibawa oleh kode CFD komersial FLUENT yang didasarkan pada pendekatan volume hingga dan pemecah terpisah. Algoritma Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) digunakan untuk kopling kecepatan-tekanan dan turunan spasial melawan angin orde dua. Residu konvergensi diatur sangat ketat dari 1E10−15 untuk persamaan kontinuitas, dan 1E10−3/−6 untuk momentum x dan y, dan persamaan energi.

Karena membran yang digabungkan secara termal, distribusi suhu pada permukaan membran atas dan bawah adalah variabel aliran yang paling menonjol. Saat medan suhu dan kecepatan dihitung, metrik kinerja termasuk koefisien polarisasi suhu, fluks massa, dan efisiensi termal akan dinilai. Selanjutnya, sejumlah studi sensitivitas pada sifat membran menggunakan model yang dikembangkan. Ini termasuk memvariasikan (i) porositas membran dalam kisaran antara 45% dan 85%, (ii) ukuran pori antara 50 nm dan 200 nm, dan akhirnya (iii) mensimulasikan efek slippage (yaitu tegangan geser nol) dari membran omnifobik. Studi-studi ini dilakukan untuk menilai kinerja MD untuk pengolahan air limbah berminyak seperti yang terjadi pada air kilang. Semua studi sensitivitas dilakukan secara independen dengan memperbaiki semua parameter lainnya.

2.2 Pengaturan eksperimental DCMD

Pekerjaan eksperimental dibatasi dengan memperoleh kinerja sistem secara keseluruhan, namun, pemodelan fidelitas tinggi menawarkan visualisasi skala makro dan mikro. Pengaturan eksperimental yang ditunjukkan pada Gambar 5 dikembangkan untuk memvalidasi model numerik menggunakan membran MD yang sesuai yang tersedia secara komersial atau dikembangkan secara internal. Pengaturan eksperimental ini terdiri dari model akrilik DCMD tipe lembaran datar dari dua saluran persegi panjang simetris yang dipisahkan oleh membran PVDF dengan sifat yang diketahui per Tabel 3. Baik modul eksperimental dan model numerik identik. Aliran ke saluran-saluran ini digerakkan oleh dua pompa peristaltik yang menyuntikkan aliran laminar yang stabil pada laju dan suhu yang ditentukan melalui kontrol panas termal di setiap reservoir saluran. Setiap saluran diinstrumentasi oleh 18 termokopel Tipe-T pada jarak yang terdistribusi secara merata untuk merekam suhu fluida. Sistem ini diberi makan oleh dua reservoir termal yang disimpan pada suhu tetap. Fluks diukur dengan labu bertingkat yang terhubung ke reservoir permeat. 

LAYANAN ADY WATER

Ady Water jual membran RO merek: CSM, VONTRON, LUSO, FILMTEC. 

Ady Water jual membran RO ukuran 50 GPD, 75 GPD, 100 GPD, 200 GPD, 400 GPD, 500 GPD, 1000 GPD, 2000 GPD, 5000 GPD, 10000 GPD, dan ukuran yang lebih besar. 

Ady Water menerima PROJECT untuk instalasi mesin reverse osmosis dan membran reverse osmosis untuk industri. 

Aplikasi membran RO untuk industri AMDK, industri Food & Beverage, Depot Air Minum Isi Ulang, dll. Ada tiga jenis membran RO: SWRO (Sea Water Reverse Osmosis), TWRO (Tap Water Reverse Osmosis), BWRO (Brackish Water Reverse Osmosis)

Nomor WA Sales Yang Mudah Dihubungi

Senang dapat membantu Anda, Semoga kami dapat segera menyelesaikan masalah air yang sedang Anda hadapi. Terimakasih

1. Ghani 0821 2742 4060

2. Yanuar 0812 2165 4304

3. Rusmana 0821 2742 3050

4. Fajri 0821 4000 2080

5. Kartiko 0812 2445 1004

6. Andri 0812 1121 7411

Alamat kantor/gudang Ady Water yang bisa dikunjungi langsung. 

Silahkan Bapak/Ibu mengunjungi alamat kantor/gudang kami. Kami akan melayani Anda dengan senang hati dan semoga dapat membantu masalah air yang sedang Anda hadapi. 

1. Alamat Bandung:

Jalan Mande Raya No. 26, RT/RW 01/02 Cikadut-Cicaheum, Bandung 40194

2. Alamat Jakarta Timur

Jalan Tanah Merdeka No. 80B, RT.15/RW.5 Rambutan, Ciracas, Jakarta Timur 13830

3. Alamat Jakarta Barat

Jalan Kemanggisan Pulo 1, No. 4, RT/RW 01/08, Kelurahan Pal Merah, Kecamatan Pal Merah, Jakarta Barat, 11480

Katalog Ady Water

http://bit.ly/KatalogAdyWater