Како RO мембрана постиже 99,9% одбацивања соли?

Мембрана за реверзну осмозу (RO мембрана) функционише на основном принципу супротстављања природном осмотском процесу. Ево детаљне анализе њеног механизма рада:

Физичко поређење природне осмозе и реверзне осмозе

Природни феномен осмозе настаје када постоји разлика у концентрацији са обе стране полупропусне мембране (као што су слатка и слана вода), молекули воде ће спонтано тећи са стране са нижом концентрацијом на страну са високом концентрацијом док се концентрације на обе стране не уравнотеже. У овом тренутку, притисак који генерише разлика у висини површине течности је осмотски притисак.

Осмотски притисак π разблаженог раствора је: π = iCRT (где је i број јона генерисаних електролизом молекула растворене супстанце; C је моларна концентрација растворене супстанце; R је моларна гасна константа; T је апсолутна температура.)
На пример, осмотски притисак морске воде је висок и до 28 бара, што захтева већи притисак да би се ток воде обрнуо.

„Противток високог притиска“ реверзне осмозе је примена притиска на страну сланог раствора (>осмотски притисак) који приморава молекуле воде да теку у супротном смеру, постижући миграцију обрнутог градијента концентрације од „слане воде до чисте воде“.

Током реверзне осмозе, осмотска брзина растварача, тј. енергија протока течности N, је: N=Kh(Δp-Δπ) (где је Kh коефицијент хидрауличке пропустљивости, који се благо повећава са температуром; Δp је разлика статичког притиска преко мембране; Δπ је разлика осмотског притиска преко мембране).

У овом тренутку: На страни чисте воде: Сакупљање молекула воде који пролазе (пермеат), На страни концентроване воде: Задржавање соли, тешких метала и других нечистоћа (концентрат).

Изузетна прецизност мембранске структуре

Сендвич структура:

Носиви слој: Неткана тканина (дебљине ≈ 120 μм) - „челични оквир“ који издржава висок притисак.

Порозни слој: Полисулфонски материјал (величина пора 0,01-0,1 μм) - „прва линија одбране“ која пресреће блато, песак и рђу.

Активни слој: Полиамидни филм (дебљине ≈ 200 nm) - прави „молекуларни судија“, са величином пора од само 0,1-1 nm (≈ двоструко већом од молекула воде).

Подаци за поређење:

Пречник вируса (0,02-0,3 μм) > Величина мембранских пора 3000 пута већа.

Величина бактерија (0,5-5 μm) > Величина мембранских пора 5000 пута већа.

Класична теорија модела

• Модел раствора и дифузије

Основна претпоставка: Мембрана је хомогена структура без пора, а растворена супстанца и растварач се преносе растварањем у материјал мембране и дифузијом.

Процес преноса:

Растварање: Молекули воде и растворене супстанце се адсорбују на површини мембране и растварају у материјалу мембране;
Дифузија: Под покретачком силом градијента хемијског потенцијала (разлика притиска), молекули воде преференцијално дифундују кроз мембрану;

Десорпција: Ослобађа се као чиста вода са друге стране мембране.

Математички израз: Флукс воде Jw = A(ΔP − Дп), где је А коефицијент пропустљивости мембране, ДP је примењени притисак, и Дп је разлика осмотског притиска.

• Модел преференцијалног адсорпционо-капиларног тока

Основна претпоставка: Површина мембране има наноразмерне канале, који преференцијално адсорбују молекуле воде формирајући монослој „везане воде“, док се растворене супстанце одбијају.

Механизам преноса:

Селективна адсорпција: Површина мембране селективно адсорбује молекуле воде путем водоничних веза (нпр. карбонилни кисеоник у целулозном ацетату);

Транспорт канала: Под високим притиском, везана вода пролази кроз канале путем „скакања водоничних веза“, док се растворене материје задржавају због искључења по величини.

Перформансе:

Стопа одбацивања соли: 98%-99,9% (TDS

Стопа уклањања тешких метала: >99,9% (олово, арсен, итд.).

Кључни фактори утицаја

Радни притисак
Мора бити > осмотски притисак раствора, обично 60-80 бара за индустријске примене (десалинација) и 2-4 бара за кућну употребу.

Температура: 5-45℃ (висока температура изазива деформацију мембранских пора)

pH опсег: 4-11 (полиамидна мембрана), 5-6 (целулозно-ацетатна мембрана).

Врста загађивача

Неорганско каменцање (нпр. CaCO₃): Потребно је чишћење лимунском киселином при pH=2

Биолошка контаминација (нпр. бактеријски филмови): Третирано DBNPA дезинфекционим средством.

Сценарији примене и избор типа мембране

Десалинизација морске воде Полиамидна композитна мембрана (TFC) Отпорност на висок притисак (＞60 бара), стопа десалинизације 99%

Пречишћавање воде у кући Спирална композитна мембрана Рад под ниским притиском (2-4 бара), уштеда енергије 30%.

Индустријска чиста вода (електронски чипови) Композитна мембрана ултра ниског притиска Отпорност производа на воду 18 MΩ·cm.