Como a membrana RO atinge 99,9% de rejeição de sal?

A membrana de osmose reversa (membrana RO) opera com base no princípio básico de neutralizar o processo osmótico natural. Aqui está uma análise aprofundada do seu mecanismo de funcionamento:

Comparação física entre osmose natural e osmose reversa

O fenômeno da osmose natural ocorre quando há uma diferença de concentração em ambos os lados de uma membrana semipermeável (como água doce e salgada). As moléculas de água fluem espontaneamente do lado de baixa concentração para o lado de alta concentração até que as concentrações em ambos os lados se equilibrem. Nesse ponto, a pressão gerada pela diferença de altura da superfície do líquido é a pressão osmótica.

A pressão osmótica π de uma solução diluída é: π = iCRT (onde i é o número de íons gerados pela eletrólise das moléculas do soluto; C é a concentração molar do soluto; R é a constante molar dos gases; T é a temperatura absoluta).
Por exemplo, a pressão osmótica da água do mar é de até 28 bar, exigindo maior pressão para reverter o fluxo de água.

O "contrafluxo de alta pressão" da osmose reversa consiste em aplicar pressão no lado salino (>pressão osmótica) forçando as moléculas de água a fluírem em sentido inverso, conseguindo uma migração de gradiente de concentração reverso de "água salina → água pura".

Durante a osmose reversa, a taxa osmótica do solvente, ou seja, a energia do fluxo de líquido N, é: N = Kh (Δp－Δπ) (onde Kh é o coeficiente de permeabilidade hidráulica, que aumenta ligeiramente com a temperatura; Δp é a diferença de pressão estática através da membrana; Δπ é a diferença de pressão osmótica através da membrana).

Neste ponto: No lado da água pura: Coletando as moléculas de água que passam (permeado), No lado da água concentrada: Retendo sal, metais pesados ​​e outras impurezas (concentrado).

Precisão extrema da estrutura da membrana

Estrutura do sanduíche:

Camada de suporte: Tecido não tecido (espessura ≈ 120 μm) - a "estrutura de aço" que suporta alta pressão.

Camada porosa: Material de polissulfona (tamanho de poro 0,01-0,1 μm) - a "primeira linha de defesa" que intercepta lama, areia e ferrugem.

Camada ativa: Filme de poliamida (espessura ≈ 200 nm) - o verdadeiro "árbitro molecular", com um tamanho de poro de apenas 0,1-1 nm (≈ duas vezes o tamanho das moléculas de água).

Dados de comparação:

Diâmetro do vírus (0,02-0,3 μm) > Tamanho do poro da membrana 3000 vezes.

Tamanho das bactérias (0,5-5 μm) > Tamanho dos poros da membrana 5000 vezes.

Teoria do modelo clássico

• Modelo de Difusão de Solução

Suposição básica: A membrana é uma estrutura homogênea sem poros, e o soluto e o solvente são transferidos por dissolução para o material da membrana e difusão.

Processo de transmissão:

Dissolução: moléculas de água e solutos são adsorvidos na superfície da membrana e se dissolvem no material da membrana;
Difusão: Sob a força motriz do gradiente de potencial químico (diferença de pressão), as moléculas de água se difundem preferencialmente através da membrana;

Dessorção: liberada como água pura no outro lado da membrana.

Expressão matemática: Fluxo de água Jw = A(ΔP − Dp), onde A é o coeficiente de permeabilidade da membrana, DP é a pressão aplicada e Dp é a diferença de pressão osmótica.

• Modelo de fluxo capilar de adsorção preferencial

Hipótese principal: a superfície da membrana tem canais em nanoescala, que adsorvem preferencialmente moléculas de água para formar uma monocamada de "água ligada", enquanto os solutos são repelidos.

Mecanismo de transmissão:

Adsorção seletiva: a superfície da membrana adsorve seletivamente moléculas de água por meio de ligações de hidrogênio (por exemplo, oxigênio carbonílico no acetato de celulose);

Transporte de canal: sob alta pressão, a água ligada passa pelos canais por meio de "salto de ligação de hidrogênio", enquanto os solutos são retidos devido à exclusão de tamanho.

Desempenho:

Taxa de rejeição de sal: 98%-99,9% (TDS

Taxa de remoção de metais pesados: >99,9% (chumbo, arsênio, etc.).

Principais fatores de influência

Pressão de operação
Deve ser > pressão osmótica da solução, normalmente 60-80 bar para aplicações industriais (dessalinização) e 2-4 bar para uso doméstico.

Temperatura: 5-45℃ (alta temperatura causa deformação dos poros da membrana)

Faixa de pH: 4-11 (membrana de poliamida), 5-6 (membrana de acetato de celulose).

Tipo de poluentes

Incrustação inorgânica (por exemplo, CaCO₃): Requer limpeza com ácido cítrico em pH=2

Contaminação biológica (por exemplo, filmes bacterianos): Tratado com desinfetante DBNPA.

Cenários de aplicação e seleção do tipo de membrana

Dessalinização de água do mar Membrana composta de poliamida (TFC) Resistência a alta pressão (＞60 bar), taxa de dessalinização de 99%

Purificação de água residencial Membrana composta em espiral Operação de baixa pressão (2-4 bar), economia de energia de 30%.

Água pura industrial (chips eletrônicos) Membrana composta de ultrabaixa pressão Resistividade da água do produto 18 MΩ·cm.