Як мембрана RO дасягае 99,9% адхілення солі?

Мембрана зваротнага осмасу (RO мембрана) працуе па асноўным прынцыпе супрацьдзеяння натуральнаму асматычнаму працэсу. Вось падрабязны аналіз яе механізму працы:

Фізічнае параўнанне натуральнага осмасу і зваротнага осмасу

Натуральная з'ява осмасу ўзнікае, калі па абодва бакі паўпранікальнай мембраны (напрыклад, у прэснай і салёнай вадзе) існуе розніца канцэнтрацый. Малекулы вады будуць самаадвольна перацякаць з боку з нізкай канцэнтрацыяй у бок з высокай канцэнтрацыяй, пакуль канцэнтрацыі па абодва бакі не ўраўнаважацца. У гэты момант ціск, які ствараецца розніцай вышынь паверхні вадкасці, называецца асматычным ціскам.

Асматычны ціск π разведзенага раствора роўны: π = iCRT (дзе i — колькасць іонаў, якія ўтвараюцца ў выніку электролізу малекул растворанага рэчыва; C — малярная канцэнтрацыя растворанага рэчыва; R — малярная газавая пастаянная; T — абсалютная тэмпература).
Напрыклад, асматычны ціск марской вады дасягае 28 бар, што патрабуе большага ціску для змены кірунку патоку вады.

«Высокаціскавы супрацьпаток» зваротнага осмасу — гэта прымяненне ціску да салянага боку (>асматычны ціск), што прымушае малекулы вады цячы ў зваротным кірунку, дасягаючы міграцыі па зваротным градыенце канцэнтрацыі з «саляной вады → чыстай вады».

Падчас зваротнага осмасу асматычная хуткасць растваральніка, г.зн. энергія патоку вадкасці N, складае: N=Kh(Δp—Δπ) (дзе Kh — каэфіцыент гідраўлічнай пранікальнасці, які нязначна павялічваецца з тэмпературай; Δp — розніца статычнага ціску на мембране; Δπ — розніца асматычнага ціску на мембране).

На гэтым этапе: З боку чыстай вады: Збіраюць малекулы вады, якія праходзяць праз іх (пранікаюць), З боку канцэнтраванай вады: Утрымліваюць соль, цяжкія металы і іншыя прымешкі (канцэнтрат).

Надзвычайная дакладнасць мембраннай структуры

Сэндвіч-структура:

Апорны пласт: нетканае палатно (таўшчыня ≈ 120 мкм) - «сталёвы каркас», які вытрымлівае высокі ціск.

Сітаваты пласт: полісульфонавы матэрыял (памер пор 0,01-0,1 мкм) - «першая лінія абароны», якая перахоплівае бруд, пясок і іржу.

Актыўны пласт: поліамідная плёнка (таўшчыня ≈ 200 нм) — сапраўдны «малекулярны арбітр» з памерам пор усяго 0,1-1 нм (≈ у два разы большы за памер малекул вады).

Параўнальныя дадзеныя:

Дыяметр віруса (0,02-0,3 мкм) > Памер пор мембраны ў 3000 разоў.

Памер бактэрый (0,5-5 мкм) > Памер пор мембраны ў 5000 разоў.

Класічная тэорыя мадэляў

• Мадэль раствор-дыфузія

Асноўнае дапушчэнне: Мембрана — гэта аднародная структура без пор, і растворанае рэчыва і растваральнік пераносяцца шляхам растварэння ў матэрыял мембраны і дыфузіі.

Працэс перадачы:

Растварэнне: малекулы вады і раствораныя рэчывы адсарбуюцца на паверхні мембраны і раствараюцца ў матэрыяле мембраны;
Дыфузія: Пад уздзеяннем рухаючай сілы градыенту хімічнага патэнцыялу (розніцы ціскаў) малекулы вады пераважна дыфузуюць праз мембрану;

Дэсорбцыя: вызваляецца ў выглядзе чыстай вады па той бок мембраны.

Матэматычны выраз: Паток вады Jw = A(ΔP − Дп), дзе A — каэфіцыент пранікальнасці мембраны, ДP — прыкладзены ціск, а Дп — гэта розніца асматычнага ціску.

• Пераважная мадэль адсорбцыйна-капілярнага патоку

Асноўнае дапушчэнне: Паверхня мембраны мае нанамаштабныя каналы, якія пераважна адсарбуюць малекулы вады, утвараючы монаслой «звязанай вады», у той час як раствораныя рэчывы адштурхоўваюцца.

Механізм перадачы:

Селектыўная адсорбцыя: паверхня мембраны селектыўна адсарбуе малекулы вады праз вадародныя сувязі (напрыклад, карбанільны кісларод у ацэтацетаце цэлюлозы);

Транспарт па каналах: пад высокім ціскам звязаная вада праходзіць праз каналы праз «пераскокі вадародных сувязей», у той час як раствораныя рэчывы ўтрымліваюцца дзякуючы выключэнню па памеры.

Прадукцыйнасць:

Каэфіцыент адхілення солі: 98%-99,9% (TDS

Хуткасць выдалення цяжкіх металаў: >99,9% (свінец, мыш'як і г.д.).

Асноўныя фактары ўплыву

Рабочы ціск
Павінен быць > асматычны ціск раствора, звычайна 60-80 бар для прамысловага прымянення (апрашчэнне) і 2-4 бар для хатняга выкарыстання.

Тэмпература: 5-45℃ (высокая тэмпература выклікае дэфармацыю пор мембраны)

Дыяпазон pH: 4-11 (поліамідная мембрана), 5-6 (цэлюлозна-ацэтатная мембрана).

Тып забруджвальных рэчываў

Неарганічны накіп (напрыклад, CaCO₃): Патрабуецца ачыстка цытрынавай кіслатой пры pH=2

Біялагічнае забруджванне (напрыклад, бактэрыяльныя плёнкі): Апрацоўваецца дэзінфікуючым сродкам DBNPA.

Сцэнарыі прымянення і выбар тыпу мембраны

Апрасненне марской вады Поліамідная кампазітная мембрана (TFC) Устойлівасць да высокага ціску (＞60 бар), хуткасць апраснення 99%

Ачыстка вады ў хатніх умовах Спіральная кампазітная мембрана Працуе пры нізкім ціску (2-4 бар), эканомія энергіі 30%.

Прамысловая чыстая вада (электронныя чыпы) Кампазітная мембрана звышнізкага ціску Супраціўленне вады прадукту 18 МОм·см.