Kuidas saavutab RO membraan 99,9% soola tagasilükkamise?

Pöördosmoosi membraan (RO-membraan) töötab põhimõttel, et takistada loomulikku osmootset protsessi. Siin on selle töömehhanismi põhjalik analüüs:

Loodusliku osmoosi ja pöördosmoosi füüsikaline võrdlus

Loodusliku osmoosi fenomeniks on see, kui poolläbilaskva membraani (näiteks magevee ja soolase vee) mõlemal küljel on kontsentratsioonide erinevus. Veemolekulid voolavad spontaanselt madalama kontsentratsiooniga poolelt kõrgema kontsentratsiooniga poolele, kuni kontsentratsioonid mõlemal poolel on tasakaalus. Sel hetkel on vedeliku pinna kõrguste erinevusest tekkiv rõhk osmootne rõhk.

Lahjendatud lahuse osmootne rõhk π on: π = iCRT (kus i on lahustunud aine molekulide elektrolüüsil tekkivate ioonide arv; C on lahustunud aine molaarne kontsentratsioon; R on molaarne gaasikonstant; T on absoluutne temperatuur).
Näiteks merevee osmootne rõhk on kuni 28 baari, mis nõuab veevoolu ümberpööramiseks suuremat rõhku.

Pöördosmoosi "kõrgsurve vastuvool" tähendab soolalahuse poolele rõhu avaldamist (> osmootne rõhk), mis sunnib veemolekule vastupidises suunas voolama, saavutades pöördkontsentratsioonigradiendi migratsiooni "soolalahusest puhtasse vette".

Pöördosmoosi ajal on lahusti osmootne kiirus ehk vedeliku vooluenergia N: N=Kh(Δp-Δπ) (kus Kh on hüdrauliline läbitavustegur, mis temperatuuri tõustes veidi suureneb; Δp on staatiline rõhuerinevus membraanil; Δπ on osmootse rõhuerinevus membraanil).

Sel hetkel: puhta vee poolel: läbivate veemolekulide kogumine (permeaat), kontsentreeritud vee poolel: soola, raskmetallide ja muude lisandite kinnipidamine (kontsentraat).

Membraanistruktuuri äärmine täpsus

Sandwich-struktuur:

Tugikiht: lausriie (paksus ≈ 120 μm) – „terasraam“, mis talub kõrget survet.

Poorne kiht: polüsulfoonmaterjal (pooride suurus 0,01–0,1 μm) – „esimene kaitseliin“, mis püüab kinni muda, liiva ja rooste.

Aktiivkiht: polüamiidkile (paksus ≈ 200 nm) – tõeline "molekulaarne vahekohtunik", mille pooride suurus on vaid 0,1–1 nm (≈ kaks korda suurem kui veemolekulidel).

Võrdlusandmed:

Viiruse läbimõõt (0,02–0,3 μm) > Membraani pooride suurus 3000 korda.

Bakterite suurus (0,5–5 μm) > Membraani pooride suurus 5000 korda.

Klassikaline mudeliteooria

• Lahendus-difusioonimudel

Põhieeldus: Membraan on homogeenne struktuur ilma poorideta ning lahustunud aine ja lahusti kanduvad membraanimaterjali lahustumise ja difusiooni teel.

Edastusprotsess:

Lahustumine: Veemolekulid ja lahustunud ained adsorbeeruvad membraani pinnale ja lahustuvad membraanimaterjalis;
Difusioon: Keemilise potentsiaali gradiendi (rõhu erinevuse) liikumapaneva jõu all difundeeruvad veemolekulid eelistatavalt läbi membraani;

Desorptsioon: Vabaneb puhta veena membraani teisel pool.

Matemaatiline avaldis: Veevoog Jw = A(ΔP − Dp), kus A on membraani läbilaskvuse koefitsient, DP on rakendatav rõhk ja Dp on osmootse rõhu erinevus.

• Eelistatud adsorptsiooni-kapillaarvoolu mudel

Põhieeldus: Membraani pinnal on nanoskaala kanalid, mis eelistatavalt adsorbeerivad veemolekule, moodustades "seotud vee" monokihi, samal ajal kui lahustunud ained tõrjutakse.

Ülekandemehhanism:

Selektiivne adsorptsioon: Membraani pind adsorbeerib selektiivselt veemolekule vesiniksidemete kaudu (nt karbonüülhapnik tselluloosatsetaadis);

Kanalitransport: Kõrge rõhu all läbib seotud vesi kanaleid "vesiniksidemete hüppamise" teel, samal ajal kui lahustunud ained jäävad suuruse välistamise tõttu püsima.

Jõudlus:

Soola hülgamismäär: 98–99,9% (TDS

Raskmetallide eemaldamise määr: >99,9% (plii, arseen jne).

Peamised mõjutavad tegurid

Töörõhk
Peab olema > lahuse osmootne rõhk, tavaliselt 60–80 baari tööstuslike rakenduste (soolatagastamise) ja 2–4 ​​baari koduseks kasutamiseks.

Temperatuur: 5–45 ℃ (kõrge temperatuur põhjustab membraanipooride deformatsiooni)

pH vahemik: 4–11 (polüamiidmembraan), 5–6 (tselluloosatsetaatmembraan).

Saasteainete tüüp

Anorgaaniline katlakivi (nt CaCO3₃): Nõuab sidrunhappega puhastamist pH = 2 juures

Bioloogiline saastumine (nt bakteriaalsed kiled): töödeldud DBNPA desinfitseerimisvahendiga.

Rakendusstsenaariumid ja membraanitüübi valik

Merevee magestamine Polüamiidkomposiitmembraan (TFC) Kõrgsurvekindlus (>60 baari), 99% magestamise määr

Kodune veepuhastus Spiraalne komposiitmembraan Madalrõhuline töö (2-4 baari), energiasääst 30%.

Tööstuslik puhas vesi (elektroonilised kiibid). Ülimadalrõhu komposiitmembraan. Toote veetakistus 18 MΩ·cm.