Como consegue a membrana de osmose inversa un rexeitamento de sal do 99,9 %?

A membrana de osmose inversa (membrana RO) funciona segundo o principio básico de contrarrestar o proceso osmótico natural. Aquí tes unha análise en profundidade do seu mecanismo de funcionamento:

Comparación física da osmose natural e a osmose inversa

O fenómeno da osmose natural prodúcese cando hai unha diferenza de concentración en ambos os dous lados dunha membrana semipermeable (como a auga doce e a auga salgada), as moléculas de auga flúen espontaneamente do lado de baixa concentración ao lado de alta concentración ata que as concentracións en ambos os dous lados estean equilibradas. Neste punto, a presión xerada pola diferenza de altura da superficie do líquido é a presión osmótica.

A presión osmótica π dunha solución diluída é: π = iCRT (onde i é o número de ións xerados pola electrólise das moléculas de soluto; C é a concentración molar do soluto; R é a constante molar dos gases; T é a temperatura absoluta).
Por exemplo, a presión osmótica da auga do mar chega aos 28 bares, o que require unha maior presión para invertir o fluxo de auga.

A "contrafluxo de alta presión" da osmose inversa consiste en aplicar presión ao lado salino (>presión osmótica) o que forza as moléculas de auga a fluír en sentido inverso, conseguindo a migración do gradiente de concentración inverso desde "auga salina → auga pura".

Durante a osmose inversa, a taxa osmótica do solvente, é dicir, a enerxía do fluxo de líquido N, é: N = Kh(Δp－Δπ) (onde Kh é o coeficiente de permeabilidade hidráulica, que aumenta lixeiramente coa temperatura; Δp é a diferenza de presión estática a través da membrana; Δπ é a diferenza de presión osmótica a través da membrana).

Neste punto: No lado da auga pura: Recolle as moléculas de auga que pasan a través dela (permean), No lado da auga concentrada: Retén o sal, os metais pesados ​​e outras impurezas (concentrado).

Precisión extrema da estrutura da membrana

Estrutura tipo sándwich:

Capa de soporte: tecido non tecido (grosor ≈ 120 μm): a "estrutura de aceiro" que soporta altas presións.

Capa porosa: material de polisulfona (tamaño de poro 0,01-0,1 μm): a "primeira liña de defensa" que intercepta a lama, a area e a ferruxe.

Capa activa: película de poliamida (grosor ≈ 200 nm): o verdadeiro "árbitro molecular", cun tamaño de poro de só 0,1-1 nm (≈ o dobre do tamaño das moléculas de auga).

Datos de comparación:

Diámetro do virus (0,02-0,3 μm) > Tamaño dos poros da membrana 3000 veces.

Tamaño das bacterias (0,5-5 μm) > tamaño dos poros da membrana 5000 veces.

Teoría clásica de modelos

• Modelo de solución-difusión

Suposición do núcleo: A membrana é unha estrutura homoxénea sen poros, e o soluto e o solvente transfírense por disolución ao material da membrana e difusión.

Proceso de transmisión:

Disolución: as moléculas de auga e os solutos adsórbense na superficie da membrana e disólvense no material da membrana;
Difusión: Baixo a forza impulsora do gradiente de potencial químico (diferenza de presión), as moléculas de auga difunden preferentemente a través da membrana;

Desorción: Libérase en forma de auga pura ao outro lado da membrana.

Expresión matemática: Fluxo de auga Jw = A(ΔP − Dp), onde A é o coeficiente de permeabilidade da membrana, DP é a presión aplicada e Dp é a diferenza de presión osmótica.

• Modelo de fluxo capilar de adsorción preferencial

Suposición central: a superficie da membrana ten canles a nanoescala, que adsorben preferentemente moléculas de auga para formar unha monocapa de "auga unida", mentres que os solutos son repelidos.

Mecanismo de transmisión:

Adsorción selectiva: a superficie da membrana adsorbe selectivamente as moléculas de auga mediante enlaces de hidróxeno (por exemplo, o osíxeno carbonilo no acetato de celulosa);

Transporte por canles: baixo alta presión, a auga unida pasa a través das canles mediante "saltos de enlace de hidróxeno", mentres que os solutos son retidos debido á exclusión de tamaño.

Rendemento:

Taxa de rexeitamento de sal: 98%-99,9% (TDS

Taxa de eliminación de metais pesados: >99,9 % (chumbo, arsénico, etc.).

Factores clave de influencia

Presión de funcionamento
Debe ser > presión osmótica da solución, normalmente de 60 a 80 bares para aplicacións industriais (desalinización) e de 2 a 4 bares para uso doméstico.

Temperatura: 5-45 ℃ (a temperatura elevada provoca a deformación dos poros da membrana)

Rango de pH: 4-11 (membrana de poliamida), 5-6 (membrana de acetato de celulosa).

Tipo de contaminantes

Descamación inorgánica (por exemplo, CaCO3₃): Require limpeza con ácido cítrico a pH=2

Contaminación biolóxica (por exemplo, películas bacterianas): Tratada con desinfectante DBNPA.

Escenarios de aplicación e selección do tipo de membrana

Membrana composta de poliamida (TFC) para desalinización de auga de mar Resistencia a alta presión (→60 bar), taxa de desalinización do 99 %

Purificación de auga doméstica Membrana composta en espiral Funcionamento a baixa presión (2-4 bar), aforro de enerxía do 30 %.

Auga pura industrial (chips electrónicos) Membrana composta de presión ultrabaxa Resistividade da auga do produto 18 MΩ·cm.