RO мембранасы тұзды 99,9% қабылдамауға қалай қол жеткізеді?

Кері осмос мембранасы (RO мембранасы) табиғи осмостық процеске қарсы тұрудың негізгі принципі бойынша жұмыс істейді. Міне, оның жұмыс механизмінің терең талдауы:

Табиғи осмос пен кері осмосты физикалық салыстыру

Табиғи осмос құбылысы – жартылай өткізгіш мембрананың екі жағында (мысалы, тұщы су мен тұзды су) концентрация айырмашылығы болған кезде, су молекулалары екі жағындағы концентрациялар теңестірілгенге дейін төмен концентрация жағынан жоғары концентрациялы жаққа өздігінен ағып отырады. Бұл кезде сұйық бетінің биіктік айырмашылығынан туындайтын қысым осмостық қысым болып табылады.

Сұйылтылған ерітіндінің осмостық қысымы π: π = iCRT (мұндағы i – еріген зат молекулаларының электролизі нәтижесінде түзілетін иондар саны; С – еріген заттың молярлық концентрациясы; R – молярлық газ тұрақтысы; T – абсолютті температура).
Мысалы, теңіз суының осмостық қысымы 28 барға дейін жоғары, бұл су ағынын өзгерту үшін үлкен қысымды қажет етеді.

Кері осмостың «жоғары қысымды қарсы ағыны» тұзды жағына қысым түсіреді (>осмостық қысым) су молекулаларын кері ағып, «тұзды су→таза судан» кері концентрация градиентінің миграциясына қол жеткізеді.

Кері осмос кезінде еріткіштің осмостық жылдамдығы, яғни сұйық ағынының энергиясы N: N=Kh(Δp)-Δπ) (мұндағы Kh – температураға байланысты аздап өсетін гидравликалық өткізгіштік коэффициенті; Δp – мембранадағы статикалық қысымның айырмашылығы; Δπ – мембранадағы осмостық қысымның айырмашылығы).

Бұл кезде: Таза су жағында: Өтетін су молекулаларын жинау (өткізу), Концентрлі су жағында: Тұзды, ауыр металдарды және басқа қоспаларды (концентрат) ұстау.

Мембраналық құрылымның өте дәлдігі

Сэндвич құрылымы:

Тірек қабаты: Тоқылмаған мата (қалыңдығы ≈ 120 мкм) - жоғары қысымға төтеп беретін «болат жақтау».

Кеуекті қабат: полисульфон материалы (кеуек өлшемі 0,01-0,1 мкм) - балшықты, құмды және тотты ұстап тұратын «бірінші қорғаныс желісі».

Белсенді қабат: Полиамидті пленка (қалыңдығы ≈ 200 нм) – нағыз «молекулярлық төреші», кеуек өлшемі небәрі 0,1-1 нм (≈ су молекулаларының өлшемінен екі есе үлкен).

Салыстыру деректері:

Вирус диаметрі (0,02-0,3 мкм) > Мембраналық кеуек мөлшері 3000 есе.

Бактериялар мөлшері (0,5-5 мкм) > Мембраналық тесік мөлшері 5000 есе.

Классикалық модель теориясы

• Шешім-диффузия моделі

Негізгі болжам: мембрана кеуектері жоқ біртекті құрылым, ал еріген зат пен еріткіш мембрана материалына еріту және диффузия арқылы беріледі.

Тасымалдау процесі:

Еруі: Су молекулалары мен еріген заттар мембрана бетінде адсорбцияланып, мембраналық материалға ериді;
Диффузия: Химиялық потенциал градиентінің қозғаушы күші (қысым айырмасы) астында су молекулалары мембрана арқылы басымырақ диффузияланады;

Десорбция: мембрананың екінші жағында таза су түрінде шығарылады.

Математикалық өрнек: Су ағыны Jw = A(ΔP − Dp), мұндағы А – мембрананың өткізгіштік коэффициенті, DP – келтірілген қысым, және Dp осмостық қысым айырмашылығы болып табылады.

• Преференциалды адсорбция-капиллярлық ағын моделі

Негізгі болжам: Мембрананың бетінде наноөлшемді арналар бар, олар «байланысқан судың» моноқабатын қалыптастыру үшін су молекулаларын абсорбциялайды, ал еріген заттар итеріледі.

Тасымалдау механизмі:

Селективті адсорбция: мембрана беті сутектік байланыстар арқылы су молекулаларын таңдамалы түрде адсорбциялайды (мысалы, целлюлоза ацетатындағы карбонил оттегі);

Арна тасымалдау: Жоғары қысымда байланысқан су арналар арқылы «сутегі байланысының секіруі» арқылы өтеді, ал еріген заттар өлшемді алып тастауға байланысты сақталады.

Өнімділік:

Тұзды қабылдамау деңгейі: 98%-99,9% (тұзсыздандырудан кейінгі TDS

Ауыр металдарды кетіру жылдамдығы: >99,9% (қорғасын, мышьяк және т.б.).

Негізгі әсер етуші факторлар

Жұмыс қысымы
Ерітіндінің осмостық қысымы > болуы керек, әдетте өнеркәсіптік қолдану үшін (тұзсыздандыру) 60-80 бар және тұрмыста пайдалану үшін 2-4 бар.

Температура: 5-45 ℃ (жоғары температура мембрана тесіктерінің деформациясын тудырады)

рН диапазоны: 4-11 (полиамидті мембрана), 5-6 (целлюлоза ацетатты мембрана).

Ластаушы заттардың түрі

Бейорганикалық масштабтау (мысалы, CaCO₃): рН=2 кезінде лимон қышқылын тазалауды қажет етеді

Биологиялық ластану (мысалы, бактериялық пленкалар): DBNPA дезинфекциялау құралымен өңделген.

Қолдану сценарийлері және мембрана түрін таңдау

Теңіз суын тұщыландыру Полиамидті композиттік мембрана (TFC) Жоғары қысымға төзімділік (＞60 бар), 99% тұзсыздандыру жылдамдығы

Үйдегі суды тазарту Спиральды композиттік мембрана Төмен қысыммен жұмыс (2-4 бар), энергияны 30% үнемдейді.

Өнеркәсіптік таза су (электрондық чиптер) Ультра төмен қысымды композиттік мембрана Өнімнің су кедергісі 18 МΩ·см.