Povijest razvoja RO membrane reverzne osmoze

1. Otkrivanje osmoze i uvođenje koncepta polupropusnih membrana
Razvoj tehnologije membrane reverzne osmoze neodvojiv je od razumijevanja prirodnog fenomena "osmoze". 1827. godine, dok je proučavao biljne stanice, francuski fiziolog Dutrochet prvi je promatrao migraciju molekula vode kroz stanične membrane iz niske otopine koncentracije - u visoku otopinu koncentracije -. Ovaj fenomen, definiran kao "osmoza", usredotočen je na postojanje selektivno propusne strukture, SO - nazvan "polupermirajuća membrana". Iako materijali za umjetne membrane još nisu razvijeni u ovom trenutku, Dutrochetovi eksperimenti pružili su teorijsku osnovu za odvajanje membrane.

2. Uspostavljanje termodinamičkog modela osmotskog tlaka

Do kraja 19. stoljeća, nizozemski fizički kemičar van 't hoff predložio je poznatu jednadžbu osmotskog tlaka 1886: π=IMRT, gdje je π osmotski tlak, I je faktor disocijacije rastvora, m molarna koncentracija, R je konstanta plina, a T termodinamička temperatura. Ova jednadžba kombinirala je fenomen osmoze s teorijom kemijske termodinamike i prvi put kvantificirala pokretačku silu membranskih procesa. Van 'T Hoffov rad smatra se važnom komponentom termodinamičkih temelja inženjerstva za razdvajanje membrane i pružio je osnovu za ključne parametre u sljedećem dizajnu procesa reverzne osmoze.

3. Pojava preliminarnih istraživanja umjetnih membrana

Početkom 20. stoljeća njemački znanstvenik Bechhold prvi je put izvijestio 1907. godine uporabu membrana napravljenih od celuloznog nitrata za odvajanje koloidnih čestica. Ove su membrane pokazale određeni stupanj polupermičnosti. Iako se ova tehnologija u početku koristila prvenstveno u analitičkoj kemiji i biološkim eksperimentima, ove su membrane već posjedovale temeljna svojstva veličine i fluksa kontroliranih pora, a smatraju se prethodnikom industrijalizacije membranske tehnologije. Bechholdove membrane široko su se koristile u osnovnim eksperimentima kao što su odvajanje proteina i zadržavanje virusa, neizravno promičući istraživanje i standardizaciju fizičkih svojstava membrane (poput raspodjele veličine pora, debljine i strukturne čvrstoće).

1. Prva primjena reverzne osmoze
Iako je osmoza odavno opažena i kvalitativno opisana, tek je znanstvenici tek usred - 20. stoljeća otkrili kako preokrenuti postupak. Primjenjujući vanjski tlak veći od osmotskog tlaka na koncentriranu otopinu, molekule vode migriraju iz visoke otopine koncentracije - u otopinu niske koncentracije. Ovaj je postupak poznat kao reverzna osmoza. Najveći izazovi s kojima se suočavaju u početnom razvoju membrane reverzne osmoze bili su odabir materijala i dizajn strukture membrane: postizanje dovoljne selektivnosti bez žrtvovanja toka.

2. Loeb i Asimetrična membrana Sourirajana (1959)
Godine 1959. Loeb i Sourirajan sa Sveučilišta u Kaliforniji, Los Angeles, razvili su prvu industrijski održivu na svjetsku membranu reverzne osmoze. Pomoću metode inverzije faze izradili su membranu celuloze acetata s izrazitom asimetričnom strukturom. Površinski sloj membrane, debljine oko 0,2 do 0,5 mikrona, pokazuje izuzetno visoku selektivnost. Temeljna porozna struktura pruža mehaničku potporu i smanjuje otpornost na protok. Ova asimetrična membrana postiže stopu odbacivanja soli do 98% i tok desetaka litara po kvadratnom metru na sat, postavljajući temelj za naknadne industrijske primjene.

3. Projekt američke vlade i pilot postrojenja UCLA

Američki ured za slanu vodu financirao je ovo istraživanje krajem 1950 -ih i osnovao prvo postrojenje za desalinizaciju morske vode. Ovaj sustav, koristeći asimetričnu RO membranu, proizveo je 14 tona slatkovodne vode dnevno. Iako je još uvijek relativno veliko i skupo za djelovanje, ovo je postignuće prvi put pokazalo da tehnologija RO nije samo teoretski izvediva, već je i ostvariva u praktičnoj razini, pokrećući praktičnu primjenu odvajanja membrane u obradi vode.

1. Razvoj ploče - i - okvir i spiralni - moduli za ranu membrane
Kako su membranski materijali reverzne osmoze postali stabilniji, optimiziranje membranske strukture kao komponenta uređaja postalo je presudno za industrijski razvoj. 1969. DuPont je predstavio B - 9 Spiral - element membrane rane. Ovaj je dizajn omogućio veću površinu membrane u ograničenom volumenu, značajno poboljšavajući kapacitet obrade sustava i energetsku učinkovitost. U usporedbi s tradicionalnom pločom - i {- strukturama okvira, moduli membrane s spiralno-vatanom nude veću gustoću volumetrijske membrane, niži pad tlaka i niži zahtjevi za održavanjem, brzo postajući glavni faktor oblika RO industrijske primjene.

2. Brzo širenje međunarodnog tržišta
1970. godine, Toray Industries, Japan, dovršio je prvu azijsku liniju za proizvodnju membrane reverzne osmoze, označavajući početak širenja RO tehnologije u Aziji - Pacifičkoj regiji. Tvrtka je pokrenula primjenu tehnologije odvajanja membrane u proizvodnji ultračiste vode za elektroniku, koncentraciju hrane i pića i ponovnu uporabu otpadnih voda, pokrećući brzi napredak u performansama materijala membrane i integraciji uređaja u cijeloj regiji.

3. Provjera američke vojne aplikacije: Mobilne RO jedinice
Od 1965. do 1968. američka mornarica surađivala je s Loebovim timom na razvoju mobilne jedinice za desalinizaciju morske vode (MSDU). Ova se jedinica mogla rasporediti na brodovima, na bazama naprijed, a u teškim okruženjima za desaliniranje morske vode. Ovaj je projekt ne samo pokazao izvedivost RO sustava u vojnim i katastrofalnim okruženjima, već je i olakšao naknadno raspoređivanje RO jedinica u lukama, gradovima s nedostatkom vode i vanjskim otocima.

1. Veliki proboj u strukturi membrane materijala: TFC kompozitna membrana
Godine 1980. Cadotte je predložio aromatsku kompozitnu membranu poliamida (tanki filmski kompozit, TFC) proizvedenu pomoću interfacijalne polimerizacije. Ova se membrana sastoji od tri sloja: netkanog potpornog sloja tkanine, poroznog polisulfonskog intermedijarnog sloja i ultra - tankih površinskih sloj poliamida. Površinski sloj poliamida, debljine samo nekoliko stotina nanometara, pokazuje izvrsno odbacivanje soli. Ova struktura ne samo da značajno poboljšava tok i selektivnost membrane, već također omogućuje prilagođavanje performansi membrane određenim izvorima vode, postajući standardna arhitektura za naknadne RO membranske materijale.

2. Komercijalizacija: Rasprostranjena primjena serije Dow Filmtec ™
Godine 1982. Dow Chemical Company lansirala je marku "Filmtec ™" RO Membranes, uključujući reprezentativne modele poput BW30 i SW30. Ove membrane, koje karakteriziraju visoka otpornost na dekoliranje, visoki tok i stabilan radni vijek, široko su se koristile u industrijama kao što su komunalna opskrba vodom, desalinizacija morske vode, elektronika i poluvodiči, hrana i pića i kemikalije, uspostavljajući dominantni položaj membrana TFC -a na tržištu.

3. Veliki - Demonstracijski projekt skale: Orange County County Factory 21
1990. godine, Orange County Water Agentori u Kaliforniji, SAD, izgradila je tvornicu vode 21, koja koristi RO sustav za pružanje visokog - kvalitetnih tretmana za komunalne otpadne vode. Ovaj sustav tada prolazi napredno liječenje UV zračenjem i aktiviranim ugljikom, što je rezultiralo neizravnim pijenjem reciklirane vode. To je označilo prvi uspješan svjetski veliki - ljestvica "Pijenje - Reciklirana voda", označavajući značajan prijelaz RO tehnologije iz industrijskog tretmana vode u sigurnost pitke vode.

1. Anti - Fouling i razvoj nano - modificiranih membrana
Membrane Fouling uvijek je bila glavna prepreka dugom - terminu RO tehnologije. Da bi poboljšali membrane antifouling sposobnosti, istraživači uvode nanomaterijale kao što su Tio₂, ZnO i AG u površinu membrane. Ovi materijali daju anti - svojstva biološke adhezije i fotokatalitičko raspadanje organske tvari, značajno proširujući radni vijek membrane. Na primjer, Nanyang Tehnološko sveučilište u Singapuru razvilo je TFC membranu s fotokatalitičkim selfom - mogućnosti čišćenja kroz u - situ tio₂ doping.

2. Značajno smanjena potrošnja energije desalinizacije: PX uređaji za oporavak energije
PX izmjenjivač tlaka (PX) pokrenut Energy Recovery Inc. oporavlja i prenosi zaostali tlak s slane otopine na ulaznu stranu, smanjujući specifičnu potrošnju energije RO sustava iz ranijih 6 - 8 kWh/m³ na 2-3 kWh/m³. Ovaj se uređaj široko koristi u velikim projektima desalinizacije u zemljama kao što su Izrael i Saudijska Arabija, što RO čini glavnom tehnologijom desalinizacije širom svijeta.

3. Automatizacija i inteligentni upravljački sustavi
Veliki - Skala RO sustavi opremljeni su automatiziranom platformom za upravljanje na temelju PLC (programirajuća logička kontrola) i SCADA sustava, omogućujući real - prikupljanje vremena i kontrola podataka kao što su kvaliteta utjecaja, tok membrane, diferencijalni tlak i indeks kontaminacije. Neki sustavi uključuju ai - potpomognuti algoritmima za predviđanje trendova za uklanjanje membrane i unaprijed pokrenuti upozorenja o čišćenju, omogućujući "bez nadzora".

1. Napredak istraživanja na membranama grafen oksida (GO)
GEIM tim (Sveučilište u Manchesteru) počeo je istraživati ​​molekularna svojstva prosijavanja GO membrana u 2013. godini. GO membrane imaju jedan sloj -, dva - dimenzionalna struktura i može postići flukse 10 do 100 puta veće od tradicionalnih membrana. Oni također mogu postići precizna razdvajanja podešavanjem razmaka međusloja. Potencijalne primjene uključuju desalinizaciju morske vode, odvajanje teških metala i visoku - vrijednost - Dodan tretman rješenja. Iako još nisu u potpunosti komercijalizirani, smatraju se ključnim kandidatom za sljedeću generaciju visokog - membrane.

2. Ai - Pomoćni optimizacija i zakazivanje RO sustava
Uz rašireno usvajanje znanosti o podacima, mnogi industrijski RO sustavi uključuju AI algoritme, poput neuronskih mreža i modela strojnog učenja, kako bi inteligentno identificirali i optimizirali tipove sredstva za obradu membrane, operativne parametre i trendove potrošnje energije.

3. Ponovna upotreba otpadnih membrana i pilota kružne ekonomije
EU -ov "Rewamem projekt" kemijski čisti i prebacuje otpadne RO membrane, pretvarajući ih u niske - nanofiltracijske membrane ili module MBR membrane za prethodno obradu otpadnih voda ili navodnjavajuće vode za ponovnu upotrebu. Ovaj projekt postiže više od 80% oporavka resursa membrane, pokrećući prijelaz RO industrije prema niskom - ugljiku, održivom razvoju.