Ako dosahuje RO membrána 99,9 % odmietnutie soli?

Membrána reverznej osmózy (RO membrána) funguje na základe základného princípu pôsobenia proti prirodzenému osmotickému procesu. Tu je podrobná analýza jej mechanizmu fungovania:

Fyzikálne porovnanie prirodzenej osmózy a reverznej osmózy

Prirodzený jav osmózy nastáva, keď je na oboch stranách polopriepustnej membrány (napríklad v sladkej a slanej vode) rozdiel v koncentrácii. Molekuly vody spontánne prúdia zo strany s nízkou koncentráciou na stranu s vysokou koncentráciou, až kým sa koncentrácie na oboch stranách nevyrovnajú. V tomto bode je tlak vytvorený výškovým rozdielom na hladine kvapaliny osmotický tlak.

Osmotický tlak π zriedeného roztoku je: π = iCRT (kde i je počet iónov vytvorených elektrolýzou molekúl rozpustenej látky; C je molárna koncentrácia rozpustenej látky; R je molárna plynová konštanta; T je absolútna teplota.)
Napríklad osmotický tlak morskej vody je až 28 barov, čo si vyžaduje vyšší tlak na zvrátenie toku vody.

„Vysokotlakový protiprúd“ reverznej osmózy spočíva v pôsobení tlaku na soľnú stranu (> osmotický tlak), ktorý núti molekuly vody prúdiť v opačnom smere, čím sa dosahuje migrácia spätného koncentračného gradientu zo „slanej vody → čistá voda“.

Počas reverznej osmózy je osmotická rýchlosť rozpúšťadla, t. j. energia prúdenia kvapaliny N,: N=Kh(Δp-Δπ) (kde Kh je koeficient hydraulickej priepustnosti, ktorý sa mierne zvyšuje s teplotou; Δp je rozdiel statického tlaku na membráne; Δπ je rozdiel osmotického tlaku na membráne).

V tomto bode: Na strane čistej vody: Zhromažďovanie molekúl vody, ktoré prechádzajú (permeát), Na strane koncentrovanej vody: Zadržiavanie soli, ťažkých kovov a iných nečistôt (koncentrát).

Extrémna presnosť membránovej štruktúry

Sendvičová štruktúra:

Nosná vrstva: Netkaná textília (hrúbka ≈ 120 μm) – „oceľový rám“, ktorý odoláva vysokému tlaku.

Pórovitá vrstva: Polysulfónový materiál (veľkosť pórov 0,01 – 0,1 μm) – „prvá obranná línia“, ktorá zachytáva blato, piesok a hrdzu.

Aktívna vrstva: Polyamidová fólia (hrúbka ≈ 200 nm) – skutočný „molekulárny rozhodca“ s veľkosťou pórov iba 0,1 – 1 nm (≈ dvojnásobok veľkosti molekúl vody).

Porovnávacie údaje:

Priemer vírusu (0,02 – 0,3 μm) > Veľkosť pórov membrány 3000-krát väčšia.

Veľkosť baktérií (0,5 – 5 μm) > 5 000-krát väčšia veľkosť pórov membrány.

Klasická teória modelov

• Model riešenia a difúzie

Základný predpoklad: Membrána je homogénna štruktúra bez pórov a rozpustená látka a rozpúšťadlo sa prenášajú rozpúšťaním do membránového materiálu a difúziou.

Proces prenosu:

Rozpúšťanie: Molekuly vody a rozpustené látky sa adsorbujú na povrchu membrány a rozpúšťajú sa v membránovom materiáli;
Difúzia: Pod vplyvom hnacej sily gradientu chemického potenciálu (rozdiel tlaku) molekuly vody prednostne difundujú cez membránu;

Desorpcia: Uvoľňuje sa ako čistá voda na druhej strane membrány.

Matematický výraz: Prietok vody Jw = A(ΔP − Dp), kde A je koeficient priepustnosti membrány, DP je aplikovaný tlak a Dp je rozdiel osmotického tlaku.

• Preferenčný adsorpčno-kapilárny model prúdenia

Základný predpoklad: Povrch membrány má nanoškálové kanáliky, ktoré prednostne adsorbujú molekuly vody a vytvárajú monovrstvu „viazanej vody“, zatiaľ čo rozpustené látky sú odpudzované.

Prevodový mechanizmus:

Selektívna adsorpcia: Povrch membrány selektívne adsorbuje molekuly vody prostredníctvom vodíkových väzieb (napr. karbonylový kyslík v acetáte celulózy);

Transport kanálmi: Pod vysokým tlakom prechádza viazaná voda kanálmi prostredníctvom „preskakovania vodíkových väzieb“, zatiaľ čo rozpustené látky sa zadržiavajú vďaka vylúčeniu veľkosti.

Výkon:

Miera odmietnutia soli: 98 % – 99,9 % (TDS

Miera odstránenia ťažkých kovov: > 99,9 % (olovo, arzén atď.).

Kľúčové ovplyvňujúce faktory

Prevádzkový tlak
Musí byť > osmotický tlak roztoku, typicky 60 – 80 barov pre priemyselné aplikácie (odsoľovanie) a 2 – 4 bary pre domáce použitie.

Teplota: 5-45 ℃ (vysoká teplota spôsobuje deformáciu pórov membrány)

Rozsah pH: 4-11 (polyamidová membrána), 5-6 (celulózoacetátová membrána).

Typ znečisťujúcich látok

Anorganické usadeniny (napr. CaCO₃): Vyžaduje čistenie kyselinou citrónovou pri pH = 2

Biologická kontaminácia (napr. bakteriálne filmy): Ošetrené dezinfekčným prostriedkom DBNPA.

Aplikačné scenáre a výber typu membrány

Odsoľovanie morskej vody Polyamidová kompozitná membrána (TFC) Odolnosť voči vysokému tlaku (＞60 barov), 99 % miera odsoľovania

Čistenie domácej vody Špirálová kompozitná membrána Nízkotlaková prevádzka (2-4 bary), úspora energie 30 %.

Priemyselná čistá voda (elektronické čipy) Kompozitná membrána s ultranízkym tlakom Merný odpor vody 18 MΩ·cm.