Cum realizează membrana RO o respingere a sării de 99,9%?
Membrana de osmoză inversă (membrana RO) funcționează pe principiul de bază al contracarării procesului osmotic natural. Iată o analiză detaliată a mecanismului său de funcționare:
Comparația fizică dintre osmoza naturală și osmoza inversă
Fenomenul de osmoză naturală apare atunci când există o diferență de concentrație pe ambele părți ale unei membrane semipermeabile (cum ar fi apa dulce și apa sărată), moleculele de apă vor curge spontan de la partea cu concentrație scăzută la partea cu concentrație ridicată până când concentrațiile de pe ambele părți sunt echilibrate. În acest moment, presiunea generată de diferența de înălțime a suprafeței lichidului este presiunea osmotică.
Presiunea osmotică π a unei soluții diluate este: π = iCRT (unde i este numărul de ioni generați prin electroliza moleculelor de substanță dizolvată; C este concentrația molară a substanței dizolvate; R este constanta molară a gazelor; T este temperatura absolută.)
De exemplu, presiunea osmotică a apei de mare este de până la 28 bari, necesitând o presiune mai mare pentru a inversa fluxul de apă.
„Contrafluxul de înaltă presiune” al osmozei inverse constă în aplicarea unei presiuni pe partea salină (> presiune osmotică) care forțează moleculele de apă să curgă în sens invers, realizând migrarea gradientului de concentrație invers de la „apă salină → apă pură”.
În timpul osmozei inverse, rata osmotică a solventului, adică energia de curgere a lichidului N, este: N = Kh(Δp－Δπ) (unde Kh este coeficientul de permeabilitate hidraulică, care crește ușor odată cu temperatura; Δp este diferența de presiune statică de-a lungul membranei; Δπ este diferența de presiune osmotică de-a lungul membranei).
În acest moment: Pe partea cu apă pură: Colectarea moleculelor de apă care trec prin aceasta (permeație), Pe partea cu apă concentrată: Reținerea sării, a metalelor grele și a altor impurități (concentrat).
Precizie extremă a structurii membranei
Structura sandwich:
Strat de suport: Material nețesut (grosime ≈ 120 μm) - „cadrul de oțel” care rezistă la presiuni ridicate.
Strat poros: Material polisulfonic (dimensiunea porilor 0,01-0,1 μm) - „prima linie de apărare” care interceptează noroiul, nisipul și rugina.
Strat activ: Film de poliamidă (grosime ≈ 200 nm) - adevăratul „arbitru molecular”, cu o dimensiune a porilor de numai 0,1-1 nm (≈ dublul dimensiunii moleculelor de apă).
Date comparative:
Diametrul virusului (0,02-0,3 μm) > dimensiunea porilor membranei de 3000 de ori.
Dimensiunea bacteriilor (0,5-5 μm) > Dimensiunea porilor membranei de 5000 de ori.
Teoria modelului clasic
- Modelul Soluție-Difuzie
Presupunerea fundamentală: Membrana este o structură omogenă, fără pori, iar substanța dizolvată și solventul sunt transferate prin dizolvare în materialul membranei și difuzie.
Procesul de transmitere:
Dizolvare: Moleculele de apă și substanțele dizolvate se adsorb pe suprafața membranei și se dizolvă în materialul membranei;
Difuzie: Sub forța motrice a gradientului de potențial chimic (diferența de presiune), moleculele de apă difuzează preferențial prin membrană;
Desorbție: Eliberată sub formă de apă pură pe cealaltă parte a membranei.
Expresie matematică: Fluxul de apă Jw = A(ΔP − Dp), unde A este coeficientul de permeabilitate a membranei, D.P este presiunea aplicată și Dp este diferența de presiune osmotică.
- Modelul de flux capilar cu adsorbție preferențială
Ipoteză centrală: Suprafața membranei are canale la scară nanometrică, care adsorb preferențial moleculele de apă pentru a forma un monostrat de „apă legată”, în timp ce substanțele dizolvate sunt respinse.
Mecanismul de transmisie:
Adsorbție selectivă: Suprafața membranei adsorbe selectiv moleculele de apă prin legături de hidrogen (de exemplu, oxigen carbonilic în acetat de celuloză);
Transport prin canale: Sub presiune ridicată, apa legată trece prin canale prin „sărituri de legături de hidrogen”, în timp ce substanțele dizolvate sunt reținute din cauza excluderii dimensiunii.
Performanţă:
Rată de respingere a sării: 98%-99,9% (TDS
Rată de îndepărtare a metalelor grele: >99,9% (plumb, arsenic etc.).
Factori cheie de influență
Presiune de funcționare
Trebuie să fie > presiunea osmotică a soluției, de obicei 60-80 bar pentru aplicații industriale (desalinizare) și 2-4 bar pentru uz casnic.
Temperatură: 5-45℃ (temperatura ridicată provoacă deformarea porilor membranei)
Interval pH: 4-11 (membrană din poliamidă), 5-6 (membrană din acetat de celuloză).
Tipul de poluanți
Scalare anorganică (de exemplu, CaCO3)₃): Necesită curățare cu acid citric la pH=2
Contaminare biologică (de exemplu, pelicule bacteriene): Tratată cu dezinfectant DBNPA.
Scenarii de aplicare și selecția tipului de membrană
Membrană compozită din poliamidă (TFC) pentru desalinizarea apei de mare, rezistență la presiune ridicată (＞60 bar), rată de desalinizare de 99%
Purificarea apei la domiciliu cu membrană compozită spiralată Funcționare la presiune joasă (2-4 bar), economisind energie cu 30%.
Apă pură industrială (cipuri electronice) Membrană compozită la presiune ultra-joasă Rezistență la apă produsă 18 MΩ·cm.