כיצד ממברנת RO משיגה דחיית מלחים של 99.9%?

קרום אוסמוזה הפוכה (RO) פועל על פי עיקרון הליבה של התנגדות לתהליך האוסמוטי הטבעי. להלן ניתוח מעמיק של מנגנון הפעולה שלו:

ההשוואה הפיזית בין אוסמוזה טבעית לאוסמוזה הפוכה

תופעת אוסמוזה טבעית היא כאשר קיים הבדל ריכוזים משני צידי קרום חדיר למחצה (כגון מים מתוקים ומים מלוחים), מולקולות מים יזרמו באופן ספונטני מהצד בעל הריכוז הנמוך לצד בעל הריכוז הגבוה עד שהריכוזים משני הצדדים יתאזנו. בנקודה זו, הלחץ שנוצר מהפרש הגובה של פני הנוזל הוא הלחץ האוסמוטי.

הלחץ האוסמוטי π של תמיסה מדוללת הוא: π = iCRT (כאשר i הוא מספר היונים הנוצרים על ידי אלקטרוליזה של מולקולות המומס; C הוא הריכוז המולרי של המומס; R הוא קבוע הגז המולרי; T היא הטמפרטורה המוחלטת.)
לדוגמה, הלחץ האוסמוטי של מי ים גבוה עד 28 בר, מה שמצריך לחץ גדול יותר כדי להפוך את זרימת המים.

"זרימה נגדית בלחץ גבוה" של אוסמוזה הפוכה היא הפעלת לחץ על הצד המלוח (> לחץ אוסמוטי) מאלצת מולקולות מים לזרום בכיוון ההפוך, ומשיגה נדידת ריכוז הפוכה מ"מים מלוחים → מים טהורים".

במהלך אוסמוזה הפוכה, קצב האוסמוטי של הממס, כלומר, אנרגיית זרימת הנוזל N, הוא: N=Kh(Δp－Δπ) (כאשר Kh הוא מקדם החדירות ההידראולית, אשר עולה מעט עם הטמפרטורה; Δp הוא הפרש הלחצים הסטטיים על פני הממברנה; Δπ הוא הפרש הלחצים האוסמוטי על פני הממברנה).

בנקודה זו: בצד המים הטהורים: איסוף מולקולות המים שעוברות דרכן (חדירה), בצד המים המרוכזים: שמירה על מלח, מתכות כבדות וזיהומים אחרים (ריכוז).

דיוק קיצוני של מבנה הממברנה

מבנה סנדוויץ':

שכבת תמיכה: בד לא ארוג (עובי ≈ 120 מיקרומטר) - "מסגרת הפלדה" העומדת בלחץ גבוה.

שכבה נקבובית: חומר פוליסולפון (גודל נקבוביות 0.01-0.1 מיקרומטר) - "קו ההגנה הראשון" המיירט בוץ, חול וחלודה.

שכבה פעילה: סרט פוליאמיד (עובי ≈ 200 ננומטר) - "השופט המולקולרי" האמיתי, עם גודל נקבוביות של 0.1-1 ננומטר בלבד (כפול בגודל מולקולות מים).

נתוני השוואה:

קוטר הנגיף (0.02-0.3 מיקרומטר) > גודל נקבוביות הממברנה פי 3000.

גודל חיידקים (0.5-5 מיקרומטר) > גודל נקבוביות הממברנה פי 5000.

תיאוריית המודל הקלאסית

• מודל פתרון-דיפוזיה

הנחת הליבה: הממברנה היא מבנה הומוגני ללא נקבוביות, והמומס והממס מועברים באמצעות המסה לחומר הממברנה ודיפוזיה.

תהליך ההעברה:

המסה: מולקולות מים ומומסים נספגים על פני הממברנה ומתמוססים בחומר הממברנה;
דיפוזיה: תחת הכוח המניע של מפל הפוטנציאל הכימי (הפרש לחצים), מולקולות מים מעדיפות לפזר דרך הממברנה;

דסורפציה: משתחררים כמים טהורים בצד השני של הממברנה.

ביטוי מתמטי: שטף מים Jw = A(ΔP − די.פי.), כאשר A הוא מקדם חדירות הממברנה, דP הוא הלחץ המופעל, ו- DP הוא הפרש הלחץ האוסמוטי.

• מודל ספיחה-זרימה נימים מועדף

הנחת יסוד: לפני השטח של הממברנה יש תעלות ננומטריות, אשר סופחות באופן מועדף מולקולות מים ליצירת שכבה חד-שכבתית של "מים קשורים", בעוד שמומסים דוחים.

מנגנון תמסורת:

ספיחה סלקטיבית: פני הממברנה סופחים מולקולות מים באופן סלקטיבי באמצעות קשרי מימן (למשל, חמצן קרבוניל בתאית אצטט);

הובלת תעלות: תחת לחץ גבוה, מים קשורים עוברים דרך התעלות באמצעות "קפיצות קשר מימן", בעוד שמומסים נשמרים עקב אי-הכללת גודל.

ביצועים:

שיעור דחיית מלח: 98%-99.9% (TDS

שיעור סילוק מתכות כבדות: >99.9% (עופרת, ארסן וכו').

גורמי השפעה מרכזיים

לחץ הפעלה
חייב להיות > לחץ אוסמוטי של תמיסה, בדרך כלל 60-80 בר ליישומים תעשייתיים (התפלה), ו-2-4 בר לשימוש ביתי.

טמפרטורה: 5-45 ℃ (טמפרטורה גבוהה גורמת לעיוות נקבוביות בממברנה)

טווח pH: 4-11 (ממברנת פוליאמיד), 5-6 (ממברנת תאית אצטט).

סוג המזהמים

קשקשים אנאורגניים (למשל, CaCO₃): דורש ניקוי עם חומצת לימון ב-pH=2

זיהום ביולוגי (למשל, שכבות חיידקים): מטופל בחומר חיטוי DBNPA.

תרחישי יישום ובחירת סוג ממברנה

התפלת מי ים ממברנת פוליאמיד מרוכבת (TFC) עמידות בלחץ גבוה (＞60 בר), קצב התפלה של 99%

טיהור מים ביתי ממברנה מרוכבת ספירלית פעולה בלחץ נמוך (2-4 בר), חיסכון באנרגיה של 30%.

מים טהורים תעשייתיים (שבבים אלקטרוניים) ממברנה מרוכבת בלחץ נמוך במיוחד התנגדות המוצר למים 18 MΩ·cm.