Як мембрана RO досягає 99,9% відторгнення солі?

Мембрана зворотного осмосу (RO мембрана) працює за основним принципом протидії природному осмотичному процесу. Ось детальний аналіз її механізму роботи:

Фізичне порівняння природного осмосу та зворотного осмосу

Природне явище осмосу виникає, коли існує різниця концентрацій по обидва боки напівпроникної мембрани (наприклад, прісна та солона вода). Молекули води спонтанно перетікають з боку з низькою концентрацією до боку з високою концентрацією, доки концентрації по обидва боки не збалансуються. У цей момент тиск, що створюється різницею висот поверхні рідини, є осмотичним тиском.

Осмотичний тиск π розведеного розчину дорівнює: π = iCRT (де i – кількість іонів, що утворюються в результаті електролізу молекул розчиненої речовини; C – молярна концентрація розчиненої речовини; R – молярна газова стала; T – абсолютна температура).
Наприклад, осмотичний тиск морської води сягає 28 бар, що вимагає більшого тиску для зміни напрямку потоку води.

«Протипотік високого тиску» зворотного осмосу полягає в тому, що застосування тиску до сольової сторони (>осмотичний тиск) змушує молекули води текти у зворотному напрямку, досягаючи зворотної міграції градієнта концентрації від «солона вода → чиста вода».

Під час зворотного осмосу осмотична швидкість розчинника, тобто енергія потоку рідини N, становить: N=Kh(Δp-Δπ) (де Kh – коефіцієнт гідравлічної проникності, який дещо зростає з температурою; Δp – різниця статичного тиску на мембрані; Δπ – різниця осмотичного тиску на мембрані).

На цьому етапі: З боку чистої води: Збирання молекул води, що проходять крізь неї (пермеат), З боку концентрованої води: Утримання солі, важких металів та інших домішок (концентрат).

Надзвичайна точність мембранної структури

Сендвіч-структура:

Опорний шар: Неткане полотно (товщина ≈ 120 мкм) – «сталевий каркас», що витримує високий тиск.

Пористий шар: Полісульфоновий матеріал (розмір пор 0,01-0,1 мкм) – «перша лінія захисту», що перехоплює бруд, пісок та іржу.

Активний шар: поліамідна плівка (товщина ≈ 200 нм) – справжній «молекулярний арбітр» з розміром пор лише 0,1-1 нм (≈ вдвічі більше, ніж розмір молекул води).

Дані порівняння:

Діаметр вірусу (0,02-0,3 мкм) > Розмір пор мембрани в 3000 разів більший.

Розмір бактерій (0,5-5 мкм) > Розмір пор мембрани в 5000 разів більший.

Класична теорія моделей

• Модель розчин-дифузія

Основне припущення: Мембрана є однорідною структурою без пор, а розчинена речовина та розчинник переносяться шляхом розчинення в матеріал мембрани та дифузії.

Процес передачі:

Розчинення: Молекули води та розчинені речовини адсорбуються на поверхні мембрани та розчиняються в матеріалі мембрани;
Дифузія: Під дією рушійної сили градієнта хімічного потенціалу (різниці тисків) молекули води переважно дифундують через мембрану;

Десорбція: Вивільняється у вигляді чистої води з іншого боку мембрани.

Математичний вираз: Потік води Jw = A(ΔP − Дп), де A – коефіцієнт проникності мембрани, ДP – прикладений тиск, а Дп - це різниця осмотичного тиску.

• Модель переважних адсорбційно-капілярних потоків

Основне припущення: Поверхня мембрани має нанорозмірні канали, які переважно адсорбують молекули води, утворюючи моношар «зв'язаної води», тоді як розчинені речовини відштовхуються.

Механізм передачі:

Селективна адсорбція: поверхня мембрани селективно адсорбує молекули води через водневі зв'язки (наприклад, карбонільний кисень в ацетаті целюлози);

Транспортування по каналах: під високим тиском зв'язана вода проходить через канали шляхом «стрибків водневих зв'язків», тоді як розчинені речовини зберігаються завдяки виключенню за розміром.

Продуктивність:

Коефіцієнт відторгнення солі: 98%-99,9% (загальний вміст солі

Коефіцієнт видалення важких металів: >99,9% (свинець, миш'як тощо).

Ключові фактори впливу

Робочий тиск
Повинен бути > осмотичного тиску розчину, зазвичай 60-80 бар для промислового застосування (опріснення) та 2-4 бар для побутового використання.

Температура: 5-45℃ (висока температура викликає деформацію пор мембрани)

Діапазон pH: 4-11 (поліамідна мембрана), 5-6 (целюлозно-ацетатна мембрана).

Тип забруднюючих речовин

Неорганічний накип (наприклад, CaCO₃): Потрібне очищення лимонною кислотою при pH=2

Біологічне забруднення (наприклад, бактеріальні плівки): Оброблено дезінфікуючим засобом DBNPA.

Сценарії застосування та вибір типу мембрани

Опріснення морської води Поліамідна композитна мембрана (TFC) Стійкість до високого тиску (＞60 бар), 99% швидкість опріснення

Очищення води вдома Спіральна композитна мембрана Робота при низькому тиску (2-4 бар), економія енергії 30%.

Промислова чиста вода (електронні мікросхеми) Композитна мембрана наднизького тиску Питомий опір води продукту 18 МОм·см.