Kaip RO membrana pasiekia 99,9 % druskos atmetimo?
Atvirkštinio osmoso membrana (RO membrana) veikia pagrindiniu principu – neutralizuoti natūralų osmosinį procesą. Pateikiame išsamią jos veikimo mechanizmo analizę:
Natūralios osmoso ir atvirkštinės osmoso fizikinis palyginimas
Natūralus osmoso reiškinys yra tada, kai abiejose pusiau pralaidžios membranos pusėse (pvz., gėlame ir sūriame vandenyje) yra koncentracijos skirtumas, vandens molekulės savaime teka iš mažesnės koncentracijos pusės į didelės koncentracijos pusę, kol koncentracijos abiejose pusėse susilygina. Šiuo metu skysčio paviršiaus aukščių skirtumo sukuriamas slėgis yra osmosinis slėgis.
Praskiesto tirpalo osmosinis slėgis π yra: π = iCRT (čia i yra jonų skaičius, susidaręs elektrolizuojant ištirpusias molekules; C yra ištirpusios medžiagos molinė koncentracija; R yra molinė dujų konstanta; T yra absoliuti temperatūra).
Pavyzdžiui, jūros vandens osmosinis slėgis siekia net 28 barus, todėl norint pakeisti vandens tėkmę, reikia didesnio slėgio.
Atvirkštinio osmoso „aukšto slėgio priešpriešinis srautas“ – tai slėgio taikymas druskingoje pusėje (> osmosinis slėgis), verčiantis vandens molekules tekėti priešinga kryptimi, pasiekiant atvirkštinę koncentracijos gradiento migraciją iš „sūraus vandens į gryną vandenį“.
Atvirkštinio osmoso metu tirpiklio osmosinis greitis, t. y. skysčio tekėjimo energija N, yra: N=Kh(Δp-Δπ) (čia Kh yra hidraulinio pralaidumo koeficientas, kuris šiek tiek didėja kylant temperatūrai; Δp yra statinis slėgio skirtumas membranoje; Δπ yra osmosinis slėgio skirtumas membranoje).
Šiuo metu: gryno vandens pusėje: surenkamos praeinančios vandens molekulės (permeatas), koncentruoto vandens pusėje: sulaikoma druska, sunkieji metalai ir kitos priemaišos (koncentratas).
Ypatingas membraninės struktūros tikslumas
Sumuštinio struktūra:
Atraminis sluoksnis: neaustinė medžiaga (storis ≈ 120 μm) – „plieninis rėmas“, atlaikantis aukštą slėgį.
Porėtas sluoksnis: polisulfono medžiaga (porų dydis 0,01–0,1 μm) – „pirmoji gynybos linija“, kuri sulaiko purvą, smėlį ir rūdis.
Aktyvus sluoksnis: poliamido plėvelė (storis ≈ 200 nm) – tikrasis „molekulinis arbitras“, kurio porų dydis yra tik 0,1–1 nm (≈ dvigubai didesnis nei vandens molekulių).
Palyginimo duomenys:
Viruso skersmuo (0,02–0,3 μm) > Membranos porų dydis 3000 kartų didesnis.
Bakterijų dydis (0,5–5 μm) > Membranos porų dydis 5000 kartų didesnis.
Klasikinė modelių teorija
- Sprendimo-difuzijos modelis
Pagrindinė prielaida: membrana yra homogeninė struktūra be porų, o ištirpusi medžiaga ir tirpiklis pernešami į membranos medžiagą ištirpimo ir difuzijos būdu.
Perdavimo procesas:
Tirpumas: vandens molekulės ir ištirpusios medžiagos adsorbuojasi membranos paviršiuje ir ištirpsta membranos medžiagoje;
Difuzija: Veikiant cheminio potencialo gradientui (slėgio skirtumui), vandens molekulės pirmiausia difunduoja per membraną;
Desorbcija: Išsiskiria kaip grynas vanduo kitoje membranos pusėje.
Matematinė išraiška: Vandens srautas Jw = A(ΔP − Dp), kur A yra membranos pralaidumo koeficientas, DP yra taikomas slėgis ir Dp yra osmosinio slėgio skirtumas.
- Pageidaujamas adsorbcijos-kapiliarinio srauto modelis
Pagrindinė prielaida: membranos paviršiuje yra nanoskalės kanalai, kurie pirmiausia adsorbuoja vandens molekules ir sudaro „surišto vandens“ monosluoksnį, o ištirpusios medžiagos yra atstumiamos.
Perdavimo mechanizmas:
Selektyvi adsorbcija: membranos paviršius selektyviai adsorbuoja vandens molekules vandeniliniais ryšiais (pvz., karbonilo deguonis celiuliozės acetate);
Kanalinis pernašos procesas: esant aukštam slėgiui, surištas vanduo praeina per kanalus „šokdamas vandeniliniais ryšiais“, o ištirpusios medžiagos išlieka dėl dydžio skirtumo.
Našumas:
Druskos atmetimo rodiklis: 98–99,9 % (TDS
Sunkiųjų metalų pašalinimo rodiklis: >99,9 % (švinas, arsenas ir kt.).
Pagrindiniai įtakos veiksniai
Darbinis slėgis
Turi būti > tirpalo osmosinis slėgis, paprastai 60–80 barų pramoniniam naudojimui (gėlinimas) ir 2–4 barai buitiniam naudojimui.
Temperatūra: 5–45 ℃ (aukšta temperatūra sukelia membranos porų deformaciją)
pH diapazonas: 4–11 (poliamido membrana), 5–6 (celiuliozės acetato membrana).
Teršalų tipas
Neorganinės apnašos (pvz., CaCO₃Reikalingas valymas citrinų rūgštimi, kai pH = 2
Biologinis užterštumas (pvz., bakterijų plėvelės): apdorojamas DBNPA dezinfekavimo priemone.
Taikymo scenarijai ir membranos tipo pasirinkimas
Jūros vandens gėlinimas. Poliamido kompozicinė membrana (TFC). Atsparumas aukštam slėgiui (>60 barų), 99 % gėlinimo rodiklis
Namų vandens valymas Spiralinė kompozicinė membrana Veikia žemu slėgiu (2–4 barai), taupo 30 % energijos.
Pramoninis grynas vanduo (elektroniniai lustai). Itin žemo slėgio kompozicinė membrana. Produkto varža vandeniui 18 MΩ·cm.