Jak membrána RO dosahuje 99,9% odmítnutí soli?
Reverzní osmózní membrána (RO membrána) funguje na principu potlačování přirozeného osmotického procesu. Zde je podrobná analýza jejího pracovního mechanismu:
Fyzikální srovnání přirozené osmózy a reverzní osmózy
Přirozený jev osmózy nastává, když je na obou stranách polopropustné membrány (například u sladké a slané vody) rozdíl v koncentraci. Molekuly vody spontánně proudí ze strany s nízkou koncentrací na stranu s vysokou koncentrací, dokud se koncentrace na obou stranách nevyrovnají. V tomto bodě je tlak generovaný výškovým rozdílem na hladině kapaliny osmotický tlak.
Osmotický tlak π zředěného roztoku je: π = iCRT (kde i je počet iontů generovaných elektrolýzou molekul rozpuštěné látky; C je molární koncentrace rozpuštěné látky; R je molární plynová konstanta; T je absolutní teplota.)
Například osmotický tlak mořské vody dosahuje až 28 barů, což vyžaduje větší tlak k obrácení proudění vody.
„Vysokotlaký protiproud“ reverzní osmózy spočívá v působení tlaku na stranu s fyziologickým roztokem (>osmotický tlak), který nutí molekuly vody proudit v opačném směru, čímž se dosahuje obrácené migrace koncentračního gradientu z „slané vody → čistá voda“.
Během reverzní osmózy je osmotická rychlost rozpouštědla, tj. energie toku kapaliny N, rovná: N=Kh(Δp-Δπ) (kde Kh je koeficient hydraulické propustnosti, který se mírně zvyšuje s teplotou; Δp je rozdíl statického tlaku napříč membránou; Δπ je rozdíl osmotického tlaku napříč membránou).
V tomto bodě: Na straně čisté vody: Shromažďování molekul vody, které procházejí (permeát), Na straně koncentrované vody: Zachycování soli, těžkých kovů a dalších nečistot (koncentrát).
Extrémní přesnost membránové struktury
Sendvičová struktura:
Nosná vrstva: Netkaná textilie (tloušťka ≈ 120 μm) – „ocelový rám“, který odolává vysokému tlaku.
Porézní vrstva: Polysulfonový materiál (velikost pórů 0,01–0,1 μm) – „první obranná linie“, která zachycuje bláto, písek a rez.
Aktivní vrstva: Polyamidová fólie (tloušťka ≈ 200 nm) – skutečný „molekulární rozhodčí“ s velikostí pórů pouze 0,1–1 nm (≈ dvojnásobek velikosti molekul vody).
Srovnávací data:
Průměr viru (0,02–0,3 μm) > 3000krát větší velikost pórů membrány.
Velikost bakterií (0,5-5 μm) > 5000krát větší velikost pórů membrány.
Klasická teorie modelů
- Model řešení a difúze
Základní předpoklad: Membrána je homogenní struktura bez pórů a rozpuštěná látka a rozpouštědlo se přenášejí rozpouštěním do materiálu membrány a difúzí.
Proces přenosu:
Rozpouštění: Molekuly vody a rozpuštěné látky se adsorbují na povrchu membrány a rozpouštějí se v materiálu membrány;
Difúze: Pod hnací silou chemického potenciálového gradientu (rozdílu tlaku) molekuly vody přednostně difundují skrz membránu;
Desorpce: Uvolňuje se jako čistá voda na druhé straně membrány.
Matematický výraz: Tok vody Jw = A(ΔP − Dp), kde A je koeficient propustnosti membrány, DP je aplikovaný tlak a Dp je rozdíl osmotického tlaku.
- Preferenční adsorpčně-kapilární model proudění
Základní předpoklad: Povrch membrány má nanoskopické kanálky, které přednostně adsorbují molekuly vody a vytvářejí monovrstvu „vázané vody“, zatímco rozpuštěné látky jsou odpuzovány.
Přenosový mechanismus:
Selektivní adsorpce: Povrch membrány selektivně adsorbuje molekuly vody prostřednictvím vodíkových vazeb (např. karbonylový kyslík v acetátu celulózy);
Transport kanály: Pod vysokým tlakem prochází vázaná voda kanály prostřednictvím „přeskakování vodíkových vazeb“, zatímco rozpuštěné látky jsou zadržovány díky vyloučení velikosti.
Výkon:
Míra odmítnutí soli: 98 %–99,9 % (TDS
Míra odstranění těžkých kovů: >99,9 % (olovo, arsen atd.).
Klíčové ovlivňující faktory
Provozní tlak
Musí být > osmotický tlak roztoku, obvykle 60–80 barů pro průmyslové aplikace (odsolování) a 2–4 bary pro domácí použití.
Teplota: 5-45 ℃ (vysoká teplota způsobuje deformaci pórů membrány)
Rozsah pH: 4–11 (polyamidová membrána), 5–6 (celulózoacetátová membrána).
Typ znečišťujících látek
Anorganické usazeniny (např. CaCO₃): Vyžaduje čištění kyselinou citronovou při pH=2
Biologická kontaminace (např. bakteriální filmy): Ošetřeno dezinfekčním prostředkem DBNPA.
Aplikační scénáře a výběr typu membrány
Odsolování mořské vody Polyamidová kompozitní membrána (TFC) Odolnost proti vysokému tlaku (＞60 barů), 99% míra odsolování
Čištění domácí vody Spirálová kompozitní membrána Nízkotlaký provoz (2-4 bary), úspora energie 30 %.
Průmyslová čistá voda (elektronické čipy) Kompozitní membrána pro ultranízký tlak Odpor produktu vůči vodě 18 MΩ·cm.