Hoe bereikt een RO-membraan een zoutrejectie van 99,9%?

Het omgekeerde-osmosemembraan (RO-membraan) werkt volgens het kernprincipe van het tegengaan van het natuurlijke osmotische proces. Hier is een diepgaande analyse van het werkingsmechanisme:

De fysieke vergelijking van natuurlijke osmose en omgekeerde osmose

Het fenomeen van natuurlijke osmose treedt op wanneer er een concentratieverschil is aan beide zijden van een semipermeabel membraan (zoals zoet en zout water). Watermoleculen zullen dan spontaan van de lage naar de hoge concentratie stromen totdat de concentraties aan beide zijden in evenwicht zijn. Op dat moment is de druk die ontstaat door het hoogteverschil van het vloeistofoppervlak de osmotische druk.

De osmotische druk π van een verdunde oplossing is: π = iCRT (waarbij i het aantal ionen is dat wordt gegenereerd door de elektrolyse van de opgeloste moleculen; C de molaire concentratie van de opgeloste stof; R de molaire gasconstante; T de absolute temperatuur.)
De osmotische druk van zeewater kan bijvoorbeeld oplopen tot 28 bar, waardoor er een hogere druk nodig is om de waterstroom om te keren.

"Hoge-druk-tegenstroom" van omgekeerde osmose houdt in dat er druk wordt uitgeoefend op de zoute kant (>osmotische druk). Hierdoor worden watermoleculen gedwongen om in omgekeerde richting te stromen, waardoor er een omgekeerde concentratiegradiëntmigratie ontstaat van "zout water → zuiver water".

Bij omgekeerde osmose is de osmotische snelheid van het oplosmiddel, d.w.z. de vloeistofstroomenergie N,: N=Kh(Δp－Δπ) (waarbij Kh de hydraulische permeabiliteitscoëfficiënt is, die lichtjes toeneemt met de temperatuur; Δp het statische drukverschil over het membraan is; Δπ het osmotische drukverschil over het membraan is).

Op dit punt: Aan de kant van het zuivere water: het verzamelen van de watermoleculen die erdoorheen stromen (permeaat), Aan de kant van het geconcentreerde water: het vasthouden van zout, zware metalen en andere onzuiverheden (concentraat).

Extreme precisie van membraanstructuur

Sandwichstructuur:

Steunlaag: Niet-geweven stof (dikte ≈ 120 μm) - het "stalen frame" dat hoge druk weerstaat.

Poreuze laag: Polysulfonmateriaal (poriegrootte 0,01-0,1 μm) - de "eerste verdedigingslinie" die modder, zand en roest tegenhoudt.

Actieve laag: Polyamidefolie (dikte ≈ 200 nm) - de echte "moleculaire scheidsrechter", met een poriegrootte van slechts 0,1-1 nm (≈ twee keer de grootte van watermoleculen).

Vergelijkende gegevens:

Virusdiameter (0,02-0,3 μm) > 3000 keer zo groot als de poriegrootte van het membraan.

Bacteriegrootte (0,5-5 μm) > membraanporiegrootte 5000 keer.

Klassieke modeltheorie

• Oplossing-diffusiemodel

Kernveronderstelling: Het membraan is een homogene structuur zonder poriën, en de opgeloste stof en het oplosmiddel worden door middel van oplossing en diffusie in het membraanmateriaal getransporteerd.

Transmissieproces:

Oplossing: Watermoleculen en opgeloste stoffen adsorberen op het membraanoppervlak en lossen op in het membraanmateriaal;
Diffusie: Onder de drijvende kracht van de chemische potentiaalgradiënt (drukverschil) diffunderen watermoleculen bij voorkeur door het membraan;

Desorptie: Vrijkomen als zuiver water aan de andere kant van het membraan.

Wiskundige uitdrukking: Waterstroom Jw = A(ΔP − Dp), waarbij A de permeabiliteitscoëfficiënt van het membraan is, DP is de toegepaste druk, en DP is het osmotische drukverschil.

• Preferentiële adsorptie-capillaire stromingsmodel

Kernveronderstelling: Het membraanoppervlak heeft nanoschaalkanalen, die bij voorkeur watermoleculen adsorberen en zo een monolaag van 'gebonden water' vormen, terwijl opgeloste stoffen worden afgestoten.

Transmissiemechanisme:

Selectieve adsorptie: Het membraanoppervlak adsorbeert selectief watermoleculen via waterstofbruggen (bijvoorbeeld carbonylzuurstof in celluloseacetaat);

Kanaaltransport: Onder hoge druk stroomt gebonden water door de kanalen via 'waterstofbrugsprongen', terwijl opgeloste stoffen worden vastgehouden dankzij grootte-uitsluiting.

Prestatie:

Zoutrejectiepercentage: 98%-99,9% (TDS

Verwijderingspercentage zware metalen: >99,9% (lood, arseen, enz.).

Belangrijkste beïnvloedende factoren

Bedrijfsdruk
Moet > osmotische druk van de oplossing zijn, doorgaans 60-80 bar voor industriële toepassingen (ontzilting) en 2-4 bar voor huishoudelijk gebruik.

Temperatuur: 5-45℃ (hoge temperatuur veroorzaakt vervorming van membraanporiën)

pH-bereik: 4-11 (polyamidemembraan), 5-6 (celluloseacetaatmembraan).

Soort verontreinigende stoffen

Anorganische schaling (bijv. CaCO₃): Vereist reiniging met citroenzuur bij pH=2

Biologische besmetting (bijv. bacteriële films): Behandeld met DBNPA-ontsmettingsmiddel.

Toepassingsscenario's en membraantypeselectie

Ontzilting van zeewater Polyamide composietmembraan (TFC) Hoge drukbestendigheid (＞60 bar), 99% ontziltingspercentage

Waterzuivering voor thuis Spiraalvormig composietmembraan Lage druk werking (2-4 bar), energiebesparing 30%.

Industrieel zuiver water (elektronische chips) Ultra-lage druk composietmembraan Productwaterweerstand 18 MΩ·cm.