Comment la membrane RO atteint-elle un rejet de sel de 99,9 % ?

La membrane d'osmose inverse (OI) fonctionne selon le principe fondamental de neutralisation du processus osmotique naturel. Voici une analyse approfondie de son mécanisme de fonctionnement :

Comparaison physique de l'osmose naturelle et de l'osmose inverse

Le phénomène d'osmose naturelle se produit lorsqu'il existe une différence de concentration de part et d'autre d'une membrane semi-perméable (comme l'eau douce et l'eau salée). Les molécules d'eau s'écoulent spontanément du côté à faible concentration vers le côté à forte concentration jusqu'à ce que les concentrations des deux côtés soient équilibrées. À ce stade, la pression générée par la différence de hauteur à la surface du liquide est appelée pression osmotique.

La pression osmotique π d'une solution diluée est : π = iCRT (où i est le nombre d'ions générés par l'électrolyse des molécules de soluté ; C est la concentration molaire du soluté ; R est la constante molaire des gaz ; T est la température absolue.)
Par exemple, la pression osmotique de l’eau de mer peut atteindre 28 bars, ce qui nécessite une pression plus importante pour inverser le flux d’eau.

Le « contre-courant à haute pression » de l'osmose inverse consiste à appliquer une pression sur le côté salin (> pression osmotique) et à forcer les molécules d'eau à s'écouler en sens inverse, réalisant ainsi une migration de gradient de concentration inverse de « eau salée → eau pure ».

Lors de l'osmose inverse, le taux osmotique du solvant, c'est-à-dire l'énergie d'écoulement du liquide N, est : N=Kh(Δp－Δπ) (où Kh est le coefficient de perméabilité hydraulique, qui augmente légèrement avec la température ; Δp est la différence de pression statique à travers la membrane ; Δπ est la différence de pression osmotique à travers la membrane).

À ce stade : Du côté de l'eau pure : Collecte des molécules d'eau qui passent (perméat), Du côté de l'eau concentrée : Retenue du sel, des métaux lourds et autres impuretés (concentré).

Précision extrême de la structure de la membrane

Structure sandwich :

Couche de support : Tissu non tissé (épaisseur ≈ 120 μm) - le « cadre en acier » qui résiste à une pression élevée.

Couche poreuse : matériau en polysulfone (taille des pores 0,01-0,1 μm) - la « première ligne de défense » qui intercepte la boue, le sable et la rouille.

Couche active : Film polyamide (épaisseur ≈ 200 nm) - le véritable « arbitre moléculaire », avec une taille de pores de seulement 0,1 à 1 nm (≈ deux fois la taille des molécules d'eau).

Données de comparaison :

Diamètre du virus (0,02-0,3 μm) > Taille des pores de la membrane 3000 fois.

Taille des bactéries (0,5-5 μm) > Taille des pores de la membrane 5000 fois.

Théorie des modèles classiques

• Modèle de solution-diffusion

Hypothèse de base : La membrane est une structure homogène sans pores, et le soluté et le solvant sont transférés par dissolution dans le matériau de la membrane et par diffusion.

Processus de transmission :

Dissolution : Les molécules d’eau et les solutés s’adsorbent sur la surface de la membrane et se dissolvent dans le matériau de la membrane ;
Diffusion : Sous la force motrice du gradient de potentiel chimique (différence de pression), les molécules d'eau diffusent préférentiellement à travers la membrane ;

Désorption : Libérée sous forme d'eau pure de l'autre côté de la membrane.

Expression mathématique : Flux d'eau Jw = A(ΔP − Dp), où A est le coefficient de perméabilité de la membrane, DP est la pression appliquée, et Dp est la différence de pression osmotique.

• Modèle d'adsorption préférentielle et d'écoulement capillaire

Hypothèse de base : la surface de la membrane possède des canaux à l'échelle nanométrique, qui adsorbent préférentiellement les molécules d'eau pour former une monocouche d'« eau liée », tandis que les solutés sont repoussés.

Mécanisme de transmission :

Adsorption sélective : la surface de la membrane adsorbe sélectivement les molécules d'eau via des liaisons hydrogène (par exemple, l'oxygène du carbonyle dans l'acétate de cellulose) ;

Transport par canal : sous haute pression, l'eau liée traverse les canaux via un « saut de liaison hydrogène », tandis que les solutés sont retenus en raison de l'exclusion de taille.

Performance:

Taux de rejet de sel : 98 % à 99,9 % (TDS

Taux d'élimination des métaux lourds : >99,9 % (plomb, arsenic, etc.).

Principaux facteurs d'influence

Pression de service
Doit être > pression osmotique de la solution, généralement 60 à 80 bars pour les applications industrielles (dessalement) et 2 à 4 bars pour un usage domestique.

Température : 5-45℃ (une température élevée provoque une déformation des pores de la membrane)

Plage de pH : 4-11 (membrane polyamide), 5-6 (membrane acétate de cellulose).

Type de polluants

Entartrage inorganique (par exemple, CaCO₃): Nécessite un nettoyage à l'acide citrique à pH=2

Contamination biologique (par exemple, films bactériens) : Traité avec un désinfectant DBNPA.

Scénarios d'application et sélection du type de membrane

Dessalement de l'eau de mer Membrane composite polyamide (TFC) Résistance haute pression (＞60 bar), taux de dessalement de 99 %

Purification de l'eau domestique Membrane composite en spirale Fonctionnement basse pression (2-4 bar), économie d'énergie 30%.

Eau pure industrielle (puces électroniques) Membrane composite ultra basse pression Résistivité de l'eau du produit 18 MΩ·cm.