Com aconsegueix la membrana RO un rebuig de sal del 99,9%?

La membrana d'osmosi inversa (membrana RO) funciona segons el principi bàsic de contrarestar el procés osmòtic natural. Aquí teniu una anàlisi detallada del seu mecanisme de funcionament:

La comparació física de l'osmosi natural i l'osmosi inversa

El fenomen d'osmosi natural es produeix quan hi ha una diferència de concentració a banda i banda d'una membrana semipermeable (com ara aigua dolça i aigua salada), les molècules d'aigua fluiran espontàniament del costat de baixa concentració al costat d'alta concentració fins que les concentracions a banda i banda estiguin equilibrades. En aquest punt, la pressió generada per la diferència d'alçada de la superfície del líquid és la pressió osmòtica.

La pressió osmòtica π d'una solució diluïda és: π = iCRT (on i és el nombre d'ions generats per l'electròlisi de les molècules de solut; C és la concentració molar del solut; R és la constant molar dels gasos; T és la temperatura absoluta.)
Per exemple, la pressió osmòtica de l'aigua de mar arriba als 28 bars, cosa que requereix una pressió més gran per invertir el flux d'aigua.

El "contraflux d'alta pressió" de l'osmosi inversa consisteix a aplicar pressió al costat salí (> pressió osmòtica) que obliga les molècules d'aigua a fluir en sentit invers, aconseguint la migració del gradient de concentració invers des de "l'aigua salina → l'aigua pura".

Durant l'osmosi inversa, la taxa osmòtica del dissolvent, és a dir, l'energia de flux de líquid N, és: N = Kh(Δp－Δπ) (on Kh és el coeficient de permeabilitat hidràulica, que augmenta lleugerament amb la temperatura; Δp és la diferència de pressió estàtica a través de la membrana; Δπ és la diferència de pressió osmòtica a través de la membrana).

En aquest punt: Al costat de l'aigua pura: Recollida de les molècules d'aigua que la travessen (permeat), Al costat de l'aigua concentrada: Retenció de sal, metalls pesants i altres impureses (concentrat).

Precisió extrema de l'estructura de la membrana

Estructura sandvitx:

Capa de suport: Teixit no teixit (gruix ≈ 120 μm): el "marc d'acer" que resisteix una pressió elevada.

Capa porosa: material de polisulfona (mida de porus 0,01-0,1 μm): la "primera línia de defensa" que intercepta el fang, la sorra i l'òxid.

Capa activa: Pel·lícula de poliamida (gruix ≈ 200 nm): el veritable "àrbitre molecular", amb una mida de porus de només 0,1-1 nm (≈ el doble de la mida de les molècules d'aigua).

Dades de comparació:

Diàmetre del virus (0,02-0,3 μm) > mida dels porus de la membrana 3000 vegades.

Mida dels bacteris (0,5-5 μm) > mida dels porus de la membrana 5000 vegades.

Teoria clàssica de models

• Model de Solució-Difusió

Suposició del nucli: La membrana és una estructura homogènia sense porus, i el solut i el dissolvent es transfereixen per dissolució al material de la membrana i difusió.

Procés de transmissió:

Dissolució: les molècules d'aigua i els soluts s'adsorbeixen a la superfície de la membrana i es dissolen en el material de la membrana;
Difusió: Sota la força impulsora del gradient de potencial químic (diferència de pressió), les molècules d'aigua es difonen preferentment a través de la membrana;

Desorció: S'allibera com a aigua pura a l'altra banda de la membrana.

Expressió matemàtica: Flux d'aigua Jw = A(ΔP − Dp), on A és el coeficient de permeabilitat de la membrana, DP és la pressió aplicada, i Dp és la diferència de pressió osmòtica.

• Model de flux capil·lar-adsorció preferencial

Suposició principal: la superfície de la membrana té canals a nanoescala, que adsorbeixen preferentment molècules d'aigua per formar una monocapa d'"aigua lligada", mentre que els soluts són repel·lits.

Mecanisme de transmissió:

Adsorció selectiva: la superfície de la membrana adsorbeix selectivament les molècules d'aigua mitjançant enllaços d'hidrogen (per exemple, oxigen carbonil en acetat de cel·lulosa);

Transport per canals: Sota alta pressió, l'aigua lligada passa a través dels canals mitjançant "salts d'enllaç d'hidrogen", mentre que els soluts es retenen a causa de l'exclusió de mida.

Rendiment:

Taxa de rebuig de sal: 98%-99,9% (TDS

Taxa d'eliminació de metalls pesants: >99,9% (plom, arsènic, etc.).

Factors clau d'influència

Pressió de funcionament
Ha de ser > pressió osmòtica de la solució, normalment de 60 a 80 bar per a aplicacions industrials (dessalinització) i de 2 a 4 bar per a ús domèstic.

Temperatura: 5-45 ℃ (una temperatura elevada provoca la deformació dels porus de la membrana)

Rang de pH: 4-11 (membrana de poliamida), 5-6 (membrana d'acetat de cel·lulosa).

Tipus de contaminants

Descamació inorgànica (per exemple, CaCO3)₃): Requereix neteja amb àcid cítric a pH=2

Contaminació biològica (per exemple, pel·lícules bacterianes): Tractada amb desinfectant DBNPA.

Escenaris d'aplicació i selecció del tipus de membrana

Dessalinització d'aigua de mar Membrana composta de poliamida (TFC) Resistència a alta pressió (>60 bar), taxa de dessalinització del 99%

Purificació d'aigua domèstica Membrana composta en espiral Funcionament a baixa pressió (2-4 bar), estalvi d'energia del 30%.

Aigua pura industrial (xips electrònics) Membrana composta de pressió ultrabaixa Resistivitat de l'aigua del producte 18 MΩ·cm.