Kako RO membrana doseže 99,9 % zavrnitev soli?

Membrana za reverzno osmozo (RO membrana) deluje na osnovnem principu nasprotovanja naravnemu osmotskemu procesu. Tukaj je poglobljena analiza njenega mehanizma delovanja:

Fizična primerjava naravne osmoze in reverzne osmoze

Naravni pojav osmoze je, ko je na obeh straneh polprepustne membrane (kot je sladka in slana voda) razlika v koncentraciji. Molekule vode spontano prehajajo s strani z nizko koncentracijo na stran z visoko koncentracijo, dokler se koncentracije na obeh straneh ne uravnotežijo. Na tej točki je tlak, ki ga ustvarja višinska razlika na površini tekočine, osmotski tlak.

Osmotski tlak π razredčene raztopine je: π = iCRT (kjer je i število ionov, ki nastanejo z elektrolizo molekul topljenca; C je molarna koncentracija topljenca; R je molarna plinska konstanta; T je absolutna temperatura.)
Na primer, osmotski tlak morske vode je visok do 28 barov, kar zahteva večji tlak za obrnitev toka vode.

"Visokotlačni protitok" reverzne osmoze je delovanje pritiska na slano stran (> osmotski tlak), ki sili molekule vode, da tečejo v obratni smeri, s čimer se doseže migracija obratnega koncentracijskega gradienta iz "slane vode → čista voda".

Med reverzno osmozo je osmotska hitrost topila, tj. energija pretoka tekočine N, enaka: N=Kh(Δp-Δπ) (kjer je Kh koeficient hidravlične prepustnosti, ki se s temperaturo nekoliko povečuje; Δp je statični tlak na membrani; Δπ je osmotski tlak na membrani).

Na tej točki: Na strani čiste vode: Zbiranje molekul vode, ki prehajajo skozi (permeat), Na strani koncentrirane vode: Zadrževanje soli, težkih kovin in drugih nečistoč (koncentrat).

Izjemna natančnost membranske strukture

Sendvič struktura:

Nosilna plast: Netkana tkanina (debelina ≈ 120 μm) - "jekleni okvir", ki prenese visok pritisk.

Porozna plast: Polisulfonski material (velikost por 0,01–0,1 μm) – »prva obrambna linija«, ki prestreže blato, pesek in rjo.

Aktivna plast: Poliamidna folija (debelina ≈ 200 nm) – pravi "molekularni sodnik" z velikostjo por le 0,1–1 nm (≈ dvakrat večja od molekul vode).

Primerjalni podatki:

Premer virusa (0,02–0,3 μm) > Velikost membranskih por 3000-krat večja.

Velikost bakterij (0,5–5 μm) > 5000-krat večja od velikosti membranskih por.

Klasična teorija modelov

• Model raztopine in difuzije

Osnovna predpostavka: Membrana je homogena struktura brez por, topljenec in topilo pa se prenašata z raztapljanjem v membranski material in difuzijo.

Postopek prenosa:

Raztapljanje: Molekule vode in topljenci se adsorbirajo na površino membrane in raztopijo v membranskem materialu;
Difuzija: Pod vplivom gonilne sile gradienta kemijskega potenciala (razlika tlaka) molekule vode prednostno difundirajo skozi membrano;

Desorpcija: Sprošča se kot čista voda na drugi strani membrane.

Matematični izraz: Pretok vode Jw = A(ΔP − Dp), kjer je A koeficient prepustnosti membrane, DP je uporabljeni tlak in Dp je razlika osmotskega tlaka.

• Prednostni model adsorpcijsko-kapilarnega toka

Osnovna predpostavka: Površina membrane ima nanometrske kanale, ki prednostno adsorbirajo molekule vode in tvorijo monosloj "vezane vode", medtem ko se topljenci odbijajo.

Mehanizem prenosa:

Selektivna adsorpcija: Površina membrane selektivno adsorbira molekule vode preko vodikovih vezi (npr. karbonilni kisik v celuloznem acetatu);

Transport po kanalih: Pod visokim tlakom vezana voda prehaja skozi kanale s "preskakovanjem vodikovih vezi", medtem ko se topljenci zadržijo zaradi izključitve velikosti.

Zmogljivost:

Stopnja zavrnitve soli: 98 %–99,9 % (TDS

Stopnja odstranjevanja težkih kovin: >99,9 % (svinec, arzen itd.).

Ključni vplivni dejavniki

Delovni tlak
Mora biti > osmotski tlak raztopine, običajno 60–80 barov za industrijsko uporabo (razsoljevanje) in 2–4 bare za gospodinjsko uporabo.

Temperatura: 5-45 ℃ (visoka temperatura povzroča deformacijo membranskih por)

Razpon pH: 4–11 (poliamidna membrana), 5–6 (celulozna acetatna membrana).

Vrsta onesnaževal

Anorgansko kopičenje (npr. CaCO₃): Zahteva čiščenje s citronsko kislino pri pH=2

Biološka kontaminacija (npr. bakterijski filmi): Obdelano z razkužilom DBNPA.

Scenariji uporabe in izbira tipa membrane

Razsoljevanje morske vode Poliamidna kompozitna membrana (TFC) Odpornost na visok tlak (＞60 barov), 99-odstotna stopnja razsoljevanja

Čiščenje vode v domu Spiralna kompozitna membrana Delovanje pri nizkem tlaku (2–4 bara), prihranek energije 30 %.

Industrijska čista voda (elektronski čipi) Kompozitna membrana z ultra nizkim tlakom Upornost vode v produktu 18 MΩ·cm.