เมมเบรน RO สามารถกำจัดเกลือได้ 99.9% ได้อย่างไร?

เมมเบรนแบบออสโมซิสย้อนกลับ (เมมเบรน RO) ทำงานโดยยึดหลักการสำคัญในการต่อต้านกระบวนการออสโมซิสตามธรรมชาติ ต่อไปนี้คือการวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการทำงานของเมมเบรน:

การเปรียบเทียบทางกายภาพระหว่างการออสโมซิสธรรมชาติและการออสโมซิสย้อนกลับ

ปรากฏการณ์ออสโมซิสตามธรรมชาติคือเมื่อมีความเข้มข้นที่แตกต่างกันทั้งสองด้านของเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ (เช่น น้ำจืดและน้ำเค็ม) โมเลกุลของน้ำจะไหลจากด้านที่มีความเข้มข้นต่ำไปยังด้านที่มีความเข้มข้นสูงโดยอัตโนมัติจนกระทั่งความเข้มข้นทั้งสองด้านสมดุลกัน ณ จุดนี้ ความดันที่เกิดจากความแตกต่างของความสูงของพื้นผิวของเหลวคือความดันออสโมซิส

ความดันออสโมซิส π ของสารละลายเจือจางคือ: π = iCRT (โดยที่ i คือจำนวนไอออนที่สร้างขึ้นโดยการอิเล็กโทรไลซิสของโมเลกุลตัวละลาย; C คือความเข้มข้นโมลาร์ของตัวละลาย; R คือค่าคงที่ของก๊าซโมลาร์; T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์)
ตัวอย่างเช่น แรงดันออสโมซิสของน้ำทะเลสูงถึง 28 บาร์ ซึ่งต้องใช้แรงดันที่มากขึ้นเพื่อย้อนกลับการไหลของน้ำ

“การไหลสวนทางแรงดันสูง” ของระบบออสโมซิสย้อนกลับ คือการใช้แรงดันกับด้านน้ำเกลือ (>แรงดันออสโมซิส) เพื่อบังคับให้โมเลกุลของน้ำไหลย้อนกลับ ทำให้เกิดการไล่ระดับความเข้มข้นย้อนกลับจาก “น้ำเกลือ→น้ำบริสุทธิ์”

ในระหว่างการออสโมซิสย้อนกลับ อัตราการออสโมซิสของตัวทำละลาย หรือพลังงานการไหลของของเหลว N คือ: N=Kh(Δp-Δπ) (โดยที่ Kh คือค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านของของเหลวซึ่งเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามอุณหภูมิ Δp คือความแตกต่างของความดันสถิตข้ามเมมเบรน Δπ คือความแตกต่างของความดันออสโมซิสข้ามเมมเบรน)

ณ จุดนี้: ในด้านน้ำบริสุทธิ์: การรวบรวมโมเลกุลของน้ำที่ผ่านเข้ามา (ซึมผ่าน) ในด้านน้ำเข้มข้น: การเก็บรักษาเกลือ โลหะหนัก และสิ่งเจือปนอื่นๆ (ทำให้เข้มข้น)

ความแม่นยำสูงสุดของโครงสร้างเมมเบรน

โครงสร้างแซนวิช:

ชั้นรองรับ: ผ้าไม่ทอ (ความหนา ≈ 120 μm) - "โครงเหล็ก" ที่ทนต่อแรงดันสูง

ชั้นที่มีรูพรุน: วัสดุโพลีซัลโฟน (ขนาดรูพรุน 0.01-0.1 μm) - “แนวป้องกันด่านแรก” ที่สกัดกั้นโคลน ทราย และสนิม

ชั้นที่ใช้งาน: ฟิล์มโพลีเอไมด์ (ความหนา ≈ 200 นาโนเมตร) - "ตัวตัดสินระดับโมเลกุล" ที่แท้จริง โดยมีขนาดรูพรุนเพียง 0.1-1 นาโนเมตร (ประมาณสองเท่าของขนาดโมเลกุลน้ำ)

ข้อมูลเปรียบเทียบ:

เส้นผ่านศูนย์กลางไวรัส (0.02-0.3 μm) > ขนาดรูพรุนเมมเบรน 3000 เท่า

ขนาดแบคทีเรีย (0.5-5 μm) > ขนาดรูพรุนเมมเบรน 5,000 เท่า

ทฤษฎีแบบจำลองคลาสสิก

• แบบจำลองการแพร่กระจายของสารละลาย

สมมติฐานแกนกลาง: เมมเบรนเป็นโครงสร้างที่เป็นเนื้อเดียวกันไม่มีรูพรุน และสารละลายและตัวทำละลายจะถูกถ่ายโอนผ่านการละลายเข้าสู่วัสดุเมมเบรนและการแพร่กระจาย

กระบวนการถ่ายทอด:

การละลาย: โมเลกุลของน้ำและสารละลายจะดูดซับบนพื้นผิวเยื่อหุ้มและละลายเข้าไปในวัสดุเยื่อหุ้ม
การแพร่กระจาย: ภายใต้แรงขับเคลื่อนของการไล่ระดับศักย์ทางเคมี (ความแตกต่างของความดัน) โมเลกุลของน้ำจะแพร่กระจายผ่านเมมเบรนโดยเฉพาะ

การดูดซับ: ปล่อยออกมาเป็นน้ำบริสุทธิ์ที่อีกด้านหนึ่งของเมมเบรน

นิพจน์ทางคณิตศาสตร์: ฟลักซ์ของน้ำ Jw = A(ΔP - ดป.) โดยที่ A คือค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านของเมมเบรน ดีP คือแรงดันที่ใช้และ ดีพี คือความต่างของความดันออสโมซิส

• แบบจำลองการดูดซับตามความชอบ-การไหลของเส้นเลือดฝอย

ข้อสันนิษฐานหลัก: พื้นผิวเมมเบรนมีช่องขนาดนาโน ซึ่งจะดูดซับโมเลกุลน้ำโดยเฉพาะเพื่อสร้างชั้นเดียวของ "น้ำที่ผูกไว้" ในขณะที่สารละลายจะถูกผลักกัน

กลไกการส่งกำลัง:

การดูดซับแบบเลือก: พื้นผิวเมมเบรนจะดูดซับโมเลกุลน้ำอย่างเลือกสรรโดยผ่านพันธะไฮโดรเจน (เช่น คาร์บอนิลออกซิเจนในเซลลูโลสอะซิเตท)

การขนส่งในช่องทาง: ภายใต้แรงดันสูง น้ำที่ถูกผูกไว้จะผ่านช่องทางโดย "การกระโดดพันธะไฮโดรเจน" ในขณะที่สารละลายจะถูกเก็บรักษาไว้เนื่องจากการแยกออกจากกันตามขนาด

ผลงาน:

อัตราการปฏิเสธเกลือ: 98%-99.9% (TDS

อัตราการกำจัดโลหะหนัก: >99.9% (ตะกั่ว สารหนู ฯลฯ)

ปัจจัยที่มีอิทธิพลสำคัญ

แรงดันการทำงาน
จะต้องเป็น > แรงดันออสโมซิสของสารละลาย โดยทั่วไปอยู่ที่ 60-80 บาร์สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม (การแยกเกลือออก) และ 2-4 บาร์สำหรับการใช้ในครัวเรือน

อุณหภูมิ: 5-45℃ (อุณหภูมิสูงทำให้รูพรุนของเมมเบรนเสียรูป)

ช่วง pH: 4-11 (เมมเบรนโพลีเอไมด์), 5-6 (เมมเบรนเซลลูโลสอะซิเตท)

ประเภทของสารมลพิษ

การเกิดตะกรันอนินทรีย์ (เช่น CaCO₃): ต้องใช้กรดซิตริกในการทำความสะอาดที่ pH=2

การปนเปื้อนทางชีวภาพ (เช่น ฟิล์มแบคทีเรีย): ได้รับการบำบัดด้วยน้ำยาฆ่าเชื้อ DBNPA

สถานการณ์การใช้งานและการเลือกประเภทเมมเบรน

การแยกเกลือออกจากน้ำทะเล แผ่นเมมเบรนคอมโพสิตโพลีเอไมด์ (TFC) ทนทานต่อแรงดันสูง (60 บาร์ อัตราการกำจัดเกลือ 99%

เครื่องกรองน้ำใช้ภายในบ้าน แบบเมมเบรนคอมโพสิตเกลียว การทำงานแรงดันต่ำ (2-4 บาร์) ประหยัดพลังงาน 30%

น้ำบริสุทธิ์อุตสาหกรรม (ชิปอิเล็กทรอนิกส์) เมมเบรนคอมโพสิตแรงดันต่ำพิเศษ ค่าความต้านทานน้ำของผลิตภัณฑ์ 18 MΩ·cm