Как RO мембраната постига 99,9% отхвърляне на солта?

Мембраната за обратна осмоза (RO мембрана) работи на основния принцип на противодействие на естествения осмотичен процес. Ето задълбочен анализ на нейния механизъм на действие:

Физическо сравнение на естествената осмоза и обратната осмоза

Естествено явление на осмоза е, когато има разлика в концентрацията от двете страни на полупропусклива мембрана (като например сладка и солена вода). Водните молекули спонтанно ще се преместят от страната с ниска концентрация към страната с висока концентрация, докато концентрациите от двете страни се изравнят. В този момент налягането, генерирано от разликата във височината на повърхността на течността, е осмотичното налягане.

Осмотичното налягане π на разреден разтвор е: π = iCRT (където i е броят на йоните, генерирани от електролизата на молекулите на разтвореното вещество; C е моларната концентрация на разтвореното вещество; R е моларната газова константа; T е абсолютната температура.)
Например, осмотичното налягане на морската вода е високо до 28 бара, което изисква по-голямо налягане, за да се обърне потокът на водата.

„Противопоток с високо налягане“ при обратната осмоза представлява прилагане на налягане към солената страна (>осмотично налягане), което принуждава водните молекули да текат в обратна посока, постигайки обратна миграция по градиент на концентрация от „солена вода → чиста вода“.

По време на обратна осмоза, осмотичната скорост на разтворителя, т.е. енергията на течния поток N, е: N=Kh(Δp-Δπ) (където Kh е коефициентът на хидравлична пропускливост, който леко се увеличава с температурата; Δp е разликата в статичното налягане през мембраната; Δπ е разликата в осмотичното налягане през мембраната).

В този момент: От страната на чистата вода: Събиране на преминаващите водни молекули (пермеат), От страната на концентрираната вода: Задържане на сол, тежки метали и други примеси (концентрат).

Изключителна прецизност на мембранната структура

Сандвич структура:

Носещ слой: Нетъкан текстил (дебелина ≈ 120 μm) - „стоманената рамка“, която издържа на високо налягане.

Порест слой: Полисулфонов материал (размер на порите 0,01-0,1 μm) - „първата линия на защита“, която прехваща кал, пясък и ръжда.

Активен слой: Полиамидно фолио (дебелина ≈ 200 nm) - истинският „молекулен съдия“, с размер на порите само 0,1-1 nm (≈ два пъти размера на водните молекули).

Данни за сравнение:

Диаметър на вируса (0,02-0,3 μm) > Размер на мембранните пори 3000 пъти.

Размер на бактериите (0,5-5 μm) > Размер на порите на мембраната 5000 пъти.

Класическа теория на моделите

• Модел на разтвор-дифузия

Основно предположение: Мембраната е хомогенна структура без пори, а разтвореното вещество и разтворителят се пренасят чрез разтваряне в материала на мембраната и дифузия.

Процес на предаване:

Разтваряне: Водните молекули и разтворените вещества се адсорбират върху повърхността на мембраната и се разтварят в материала на мембраната;
Дифузия: Под действието на движещата сила на градиента на химичния потенциал (разлика в налягането), водните молекули преференциално дифундират през мембраната;

Десорбция: Освобождава се като чиста вода от другата страна на мембраната.

Математически израз: Воден поток Jw = A(ΔP − Дп), където A е коефициентът на пропускливост на мембраната, ДP е приложеното налягане, и Дп е разликата в осмотичното налягане.

• Преференциален адсорбционно-капилярен модел на потока

Основно предположение: Повърхността на мембраната има наноразмерни канали, които преференциално адсорбират водни молекули, за да образуват монослой от „свързана вода“, докато разтворените вещества се отблъскват.

Механизъм на предаване:

Селективна адсорбция: Повърхността на мембраната селективно адсорбира водни молекули чрез водородни връзки (напр. карбонилен кислород в целулозен ацетат);

Транспорт по канали: Под високо налягане, свързаната вода преминава през каналите чрез „прескачане на водородни връзки“, докато разтворените вещества се задържат поради изключване по размер.

Производителност:

Процент на отхвърляне на сол: 98%-99,9% (TDS

Степен на отстраняване на тежки метали: >99,9% (олово, арсен и др.).

Ключови фактори на влияние

Работно налягане
Трябва да е > осмотичното налягане на разтвора, обикновено 60-80 бара за промишлени приложения (обезсоляване) и 2-4 бара за битова употреба.

Температура: 5-45℃ (високата температура причинява деформация на порите на мембраната)

Диапазон на pH: 4-11 (полиамидна мембрана), 5-6 (целулозна ацетатна мембрана).

Вид замърсители

Неорганичен котлен камък (напр. CaCO₃): Изисква почистване с лимонена киселина при pH=2

Биологично замърсяване (напр. бактериални филми): Третира се с дезинфектант DBNPA.

Сценарии на приложение и избор на тип мембрана

Обезсоляване на морска вода Полиамидна композитна мембрана (TFC) Устойчивост на високо налягане (＞60 бара), 99% степен на обезсоляване

Пречистване на вода в дома Спирална композитна мембрана Работа при ниско налягане (2-4 бара), икономия на енергия 30%.

Промишлена чиста вода (електронни чипове) Композитна мембрана за ултраниско налягане Съпротивление на продукта за вода 18 MΩ·cm.