Kā RO membrāna panāk 99,9% sāls atgrūšanu?

Reversās osmozes membrānas (RO membrānas) darbības pamatprincips ir pretoties dabiskajam osmotiskajam procesam. Šeit ir sniegta padziļināta tās darbības mehānisma analīze:

Dabiskās osmozes un reversās osmozes fizikālais salīdzinājums

Dabiskā osmozes parādība rodas, kad puscaurlaidīgas membrānas (piemēram, saldūdens un sālsūdens) abās pusēs ir koncentrācijas atšķirība, ūdens molekulas spontāni plūst no zemākās koncentrācijas puses uz augstākās koncentrācijas pusi, līdz koncentrācijas abās pusēs ir līdzsvarotas. Šajā brīdī spiediens, ko rada šķidruma virsmas augstuma starpība, ir osmotiskais spiediens.

Atšķaidīta šķīduma osmotiskais spiediens π ir: π = iCRT (kur i ir jonu skaits, kas rodas izšķīdušās vielas molekulu elektrolīzes rezultātā; C ir izšķīdušās vielas molārā koncentrācija; R ir molārā gāzes konstante; T ir absolūtā temperatūra).
Piemēram, jūras ūdens osmotiskais spiediens sasniedz pat 28 bārus, tāpēc ir nepieciešams lielāks spiediens, lai mainītu ūdens plūsmas virzienu.

Reversās osmozes "augstspiediena pretplūsma" ir spiediena pielikšana sālsūdens pusei (> osmotiskais spiediens), kas piespiež ūdens molekulas plūst pretējā virzienā, panākot apgrieztu koncentrācijas gradienta migrāciju no "sālsūdens → tīrs ūdens".

Reversās osmozes laikā šķīdinātāja osmotiskais ātrums, t. i., šķidruma plūsmas enerģija N, ir: N=Kh(Δp-Δπ) (kur Kh ir hidrauliskās caurlaidības koeficients, kas nedaudz palielinās līdz ar temperatūru; Δp ir statiskā spiediena starpība pāri membrānai; Δπ ir osmotiskā spiediena starpība pāri membrānai).

Šajā brīdī: Tīra ūdens pusē: Savācot cauri plūstošās ūdens molekulas (permeāts), Koncentrēta ūdens pusē: Aizturot sāli, smagos metālus un citus piemaisījumus (koncentrāts).

Membrānas struktūras ārkārtēja precizitāte

Sendviča struktūra:

Atbalsta slānis: Neausts audums (biezums ≈ 120 μm) — "tērauda rāmis", kas iztur augstu spiedienu.

Porains slānis: polisulfona materiāls (poru izmērs 0,01–0,1 μm) — "pirmā aizsardzības līnija", kas aiztur dubļus, smiltis un rūsu.

Aktīvais slānis: poliamīda plēve (biezums ≈ 200 nm) — īsts "molekulārais tiesnesis" ar poru izmēru tikai 0,1–1 nm (≈ divreiz lielāks par ūdens molekulām).

Salīdzināšanas dati:

Vīrusa diametrs (0,02–0,3 μm) > Membrānas poru izmērs 3000 reizes.

Baktēriju izmērs (0,5–5 μm) > Membrānas poru izmērs 5000 reižu.

Klasiskā modeļa teorija

• Šķīduma-difūzijas modelis

Galvenais pieņēmums: Membrāna ir homogēna struktūra bez porām, un izšķīdusī viela un šķīdinātājs tiek pārvietoti membrānas materiālā, izšķīstot un difūzijas ceļā.

Pārraides process:

Izšķīšana: Ūdens molekulas un izšķīdušās vielas adsorbējas uz membrānas virsmas un izšķīst membrānas materiālā;
Difūzija: Ķīmiskā potenciāla gradienta (spiediena starpības) ietekmē ūdens molekulas galvenokārt difundējas caur membrānu;

Desorbcija: izdalās kā tīrs ūdens membrānas otrā pusē.

Matemātiska izteiksme: Ūdens plūsma Jw = A(ΔP − Dp), kur A ir membrānas caurlaidības koeficients, DP ir pielietotais spiediens, un Dp ir osmotiskā spiediena starpība.

• Preferenciālais adsorbcijas-kapilārās plūsmas modelis

Galvenais pieņēmums: Membrānas virsmai ir nanoskalas kanāli, kas priekšroku dod ūdens molekulu adsorbcijai, veidojot "saistīta ūdens" monoslāni, kamēr izšķīdušās vielas tiek atgrūstas.

Pārneses mehānisms:

Selektīva adsorbcija: membrānas virsma selektīvi adsorbē ūdens molekulas, izmantojot ūdeņraža saites (piemēram, karbonilskābekli celulozes acetātā);

Kanālu transports: Augsta spiediena ietekmē saistītais ūdens iziet cauri kanāliem, izmantojot "ūdeņraža saišu lēcienu", savukārt izšķīdušās vielas tiek saglabātas izmēru izslēgšanas dēļ.

Veiktspēja:

Sāls atgrūšanas līmenis: 98%-99,9% (TDS

Smago metālu atdalīšanas ātrums: >99,9% (svins, arsēns u. c.).

Galvenie ietekmējošie faktori

Darba spiediens
Jābūt > šķīduma osmotiskajam spiedienam, parasti 60–80 bāri rūpnieciskiem lietojumiem (atsāļošanai) un 2–4 bāri mājsaimniecības lietošanai.

Temperatūra: 5–45 ℃ (augsta temperatūra izraisa membrānas poru deformāciju)

pH diapazons: 4–11 (poliamīda membrāna), 5–6 (celulozes acetāta membrāna).

Piesārņotāju veids

Neorganiska mērogošana (piemēram, CaCO₃Nepieciešama citronskābes tīrīšana pie pH = 2

Bioloģiskais piesārņojums (piemēram, baktēriju plēves): apstrādāts ar DBNPA dezinfekcijas līdzekli.

Pielietojuma scenāriji un membrānas tipa izvēle

Jūras ūdens atsāļošana. Poliamīda kompozītmateriāla membrāna (TFC). Augsta spiediena izturība (>60 bāri), 99% atsāļošanas ātrums

Mājas ūdens attīrīšana Spirālveida kompozītmateriāla membrāna Darbība zemā spiedienā (2–4 bar), enerģijas ietaupījums 30%.

Rūpnieciski tīrs ūdens (elektroniskās mikroshēmas). Īpaši zema spiediena kompozītmateriāla membrāna. Produkta ūdens pretestība 18 MΩ·cm.