Bagaimana Membran RO Mencapai Penolakan Garam 99,9%?

Membran reverse osmosis (membran RO) bekerja berdasarkan prinsip inti yaitu melawan proses osmosis alami. Berikut ini adalah analisis mendalam mengenai mekanisme kerjanya:

Perbandingan Fisik Osmosis Alami dan Osmosis Terbalik

Fenomena Osmosis Alamiah terjadi ketika terdapat perbedaan konsentrasi pada kedua sisi membran semipermeabel (seperti air tawar dan air asin), molekul-molekul air akan mengalir secara spontan dari sisi konsentrasi rendah ke sisi konsentrasi tinggi hingga konsentrasi pada kedua sisi menjadi seimbang. Pada titik ini, tekanan yang dihasilkan oleh perbedaan ketinggian permukaan cairan adalah tekanan osmosis.

Tekanan osmotik π dari larutan encer adalah: π = iCRT (di mana i adalah jumlah ion yang dihasilkan oleh elektrolisis molekul zat terlarut; C adalah konsentrasi molar zat terlarut; R adalah konstanta gas molar; T adalah suhu absolut.)
Misalnya, tekanan osmotik air laut mencapai 28 bar, sehingga membutuhkan tekanan lebih besar untuk membalikkan aliran air.

"Aliran Lawan Bertekanan Tinggi" dari Reverse Osmosis menerapkan tekanan ke sisi garam (>tekanan osmotik) yang memaksa molekul air mengalir secara terbalik, sehingga terjadi migrasi gradien konsentrasi terbalik dari "air garam → air murni."

Selama reverse osmosis, laju osmotik pelarut, yaitu energi aliran cairan N, adalah: N=Kh(Δp－Δπ) (di mana Kh adalah koefisien permeabilitas hidrolik, yang sedikit meningkat seiring suhu; Δp adalah perbedaan tekanan statis melintasi membran; Δπ adalah perbedaan tekanan osmotik melintasi membran).

Pada titik ini: Di ​​sisi air murni: Mengumpulkan molekul air yang melewatinya (permeat), Di sisi air pekat: Menahan garam, logam berat, dan kotoran lainnya (konsentrat).

Presisi Ekstrim Struktur Membran

Struktur sandwich:

Lapisan pendukung: Kain bukan tenunan (ketebalan ≈ 120 μm) - "rangka baja" yang menahan tekanan tinggi.

Lapisan berpori: Bahan polisulfon (ukuran pori 0,01-0,1 μm) - "garis pertahanan pertama" yang mencegat lumpur, pasir, dan karat.

Lapisan aktif: Film poliamida (ketebalan ≈ 200 nm) - "wasit molekuler" sesungguhnya, dengan ukuran pori hanya 0,1-1 nm (≈ dua kali ukuran molekul air).

Data perbandingan:

Diameter virus (0,02-0,3 μm) > Ukuran pori membran 3000 kali.

Ukuran bakteri (0,5-5 μm) > Ukuran pori membran 5000 kali.

Teori model klasik

• Model Difusi Solusi

Asumsi Inti: Membran adalah struktur homogen tanpa pori-pori, dan zat terlarut dan pelarut dipindahkan melalui pelarutan ke dalam bahan membran dan difusi.

Proses Transmisi:

Pelarutan: Molekul air dan zat terlarut teradsorpsi pada permukaan membran dan larut ke dalam bahan membran;
Difusi: Di ​​bawah kekuatan pendorong gradien potensial kimia (perbedaan tekanan), molekul air lebih disukai berdifusi melalui membran;

Desorpsi: Dilepas sebagai air murni di sisi lain membran.

Ekspresi matematika: Fluks air Jw = A(ΔP - Dp), dimana A adalah koefisien permeabilitas membran, DP adalah tekanan yang diberikan, dan Dp adalah perbedaan tekanan osmotik.

• Model Adsorpsi-Aliran Kapiler Preferensial

Asumsi inti: Permukaan membran memiliki saluran berskala nano, yang secara khusus menyerap molekul air untuk membentuk lapisan tunggal "air terikat," sementara zat terlarut ditolak.

Mekanisme transmisi:

Adsorpsi selektif: Permukaan membran secara selektif menyerap molekul air melalui ikatan hidrogen (misalnya, oksigen karbonil dalam selulosa asetat);

Transportasi saluran: Di bawah tekanan tinggi, air yang terikat melewati saluran melalui "lompatan ikatan hidrogen," sementara zat terlarut tertahan karena pengecualian ukuran.

Pertunjukan:

Tingkat penolakan garam: 98%-99,9% (TDS

Tingkat penghilangan logam berat: >99,9% (timbal, arsenik, dll.).

Faktor-faktor yang mempengaruhi utama

Tekanan Operasional
Harus > tekanan osmotik larutan, biasanya 60-80 bar untuk aplikasi industri (desalinasi), dan 2-4 bar untuk penggunaan rumah tangga.

Suhu: 5-45℃ (suhu tinggi menyebabkan deformasi pori membran)

Kisaran pH: 4-11 (membran poliamida), 5-6 (membran selulosa asetat).

Jenis Polutan

Kerak anorganik (misalnya, CaCO₃): Memerlukan pembersihan asam sitrat pada pH=2

Kontaminasi biologis (misalnya, lapisan bakteri): Diolah dengan pembersih DBNPA.

Skenario Aplikasi dan Pemilihan Jenis Membran

Membran komposit poliamida (TFC) desalinasi air laut Tahan tekanan tinggi (＞60 bar), tingkat desalinasi 99%

Pemurnian air rumah Membran komposit spiral Operasi tekanan rendah (2-4 bar), hemat energi 30%.

Air murni industri (chip elektronik) Membran komposit tekanan sangat rendah Resistivitas air produk 18 MΩ·cm.