Synergické využití pracovního roztoku z přímé osmózy v průmyslovém provozu

Abstract

Nedostatek pitné vody představuje globální problém, který vyvolává rostoucí tlak na vývoj udržitelných technologií pro získávání a úpravu vody. Jednou z perspektivních technologií reagujících na tuto výzvu je přímá osmóza, která nabízí potenciálně nízkonákladové čistění odpadních vod. Přestože je tato technologie slibná, čelí zásadní výzvě v podobě nakládání s použitým pracovním roztokem, jehož regenerace je často energeticky i ekonomicky náročná. Tato práce se zabývá právě problematikou využití použitého pracovního roztoku z procesu přímé osmózy. V rámci systematické rešerše byly zhodnoceny aplikace a technologické výzvy přímé osmózy, stejně jako možnosti nakládání s použitým pracovním roztokem. Práce se dále zaměřuje na identifikaci možností přímého využití použitého pracovního roztoku v průmyslovém prostředí bez nutnosti jeho regenerace. Hlavní část práce tvoří koncepční studie aplikace přímé osmózy v modelové prádelně s průtokem odpadní vody 10 m3/h, která umožňuje přímé využití pracovního roztoku. Pro ověření technické proveditelnosti byl realizován plánovaný experiment na reálné membráně HFFO2 (Aquaporin A/S), ve kterém byly jako faktory zvoleny průtoky obou roztoků (vstupní a pracovní) a koncentrace pracovního roztoku. Pracovním roztokem byl roztok pracího prostředku, zatímco vstupním roztokem byla demineralizovaná voda. Hlavními sledovanými parametry byly: intenzita vodního toku a tlaková ztráta na větvi vstupního roztoku. Při této konfiguraci bylo dosáhnuto slibných výsledků s obstojnou intenzitou vodního toku, jež dosáhla až 4,6 L/(m2·h). Pro oba sledované parametry byl následně z naměřených dat vytvořen regresní model v programu Minitab. Na základě experimentálních dat byla vytvořena technicko ekonomická optimalizace v programu Excel pro modelovou prádelnu s cílem maximalizovat intenzitu vodního toku pro danou výstupní koncentraci (10 g/L) a průtok (2300 L/h). Ekonomická analýza založena na reálných datech pak ukázala na návratnost přibližně 9 let.Drinking water scarcity is a global problem that is putting increasing pressure on the development of sustainable technologies for water extraction and treatment. One promising technology to respond to this challenge is forward osmosis, which offers potentially low-cost wastewater treatment. Although promising, this technology faces a major challenge in the treatment of the diluted draw solution, the regeneration of which is often both energy- and cost intensive. This diploma thesis addresses the issue of utilizing the diluted draw solution from the forward osmosis process. A systematic literature review was conducted to evaluate the applications and technological challenges of forward osmosis, as well as possible approaches to managing the diluted draw solution. The thesis further explores the potential for the direct use of the diluted draw solution in an industrial environment without the need for regeneration. This diploma thesis presents a conceptual study exploring the application of forward osmosis in a model laundry facility with a nominal wastewater flow rate of 10 m3/h, emphasizing the direct utilization of the diluted draw solution. To verify technical feasibility, a factorial experiment was conducted using a real HFFO2 membrane (Aquaporin A/S), in which the flow rates of both solutions (feed and draw) and the concentration of the draw solution were chosen as factors. The draw solution consisted of dissolved laundry detergent, while the feed solution was demineralized water. The key monitored parameters were water flux and pressure drop on the feed solution side. This configuration yielded promising results, achieving a water flux of up to 4,6 L/(m2·h). Using the measured data, regression models for both key parameters were created in Minitab. Based on the experimental data, a techno-economic optimization was developed in Excel for the model laundry to maximize the water flux for a given output concentration (10 g/L) and flow rate (2300 L/h). An economic analysis based on real data indicated a payback period of approximately 9 years.