Anamnéza vývoja membrán reverznej osmózy RO

1
Vývoj reverznej membránovej technológie reverznej osmózy je neoddeliteľný od pochopenia prírodného javu „osmózy“. V roku 1827, pri štúdiu rastlinných buniek, francúzsky fyziológ Dutrochet najskôr pozoroval migráciu molekúl vody cez bunkové membrány z roztoku koncentrácie s nízkym {{}} do roztoku vysokého -. Tento jav, definovaný ako „osmóza“, je zameraný na existenciu selektívne priepustnej štruktúry, SO - s názvom „semiperpermerable membrána“. Hoci umelé membránové materiály ešte neboli vyvinuté v súčasnosti, experimenty Dutrochet poskytli teoretický základ pre separáciu membrány.

2. Vytvorenie termodynamického modelu osmotického tlaku

Na konci 19. storočia holandský fyzikálny chemik van 't hoff navrhol slávnu osmotickú tlakovú rovnicu v roku 1886: π {{}} imrt, kde π je osmotický tlak, I je disociačný faktor rozpustenej látky, M je molárna koncentrácia, R je plynná konštanta a T je termodynamická teplota. Táto rovnica kombinovala jav osmózy s teóriou chemickej termodynamiky a prvýkrát kvantifikovala hnaciu silu membránových procesov. Práca Van 't Hoff sa považuje za dôležitú súčasť termodynamických základov inžinierstva separácie membrány a poskytla základ pre kľúčové parametre v následnom návrhu procesu reverznej osmózy.

3. Vznik predbežného výskumu umelých membrán

Začiatkom 20. storočia nemecký učenec Bechhold prvýkrát oznámil v roku 1907 použitie membrán vyrobených z dusičnanu celulózy na separáciu koloidných častíc. Tieto membrány vykazovali určitý stupeň semipermosibility. Aj keď sa táto technológia spočiatku používala predovšetkým v analytickej chémii a biologických experimentoch, tieto membrány už mali základné vlastnosti kontrolovateľnej veľkosti a toku pórov a považujú sa za predchodcu industrializácie membránovej technológie. Membrány spoločnosti Bechhold sa široko používali v základných experimentoch, ako je separácia proteínov a retencia vírusu, nepriama propagácia výskumu a štandardizácie fyzikálnych vlastností membránového materiálu (ako je distribúcia veľkosti pórov, hrúbka a štrukturálna sila).

1. Prvá aplikácia reverznej osmózy
Aj keď bola osmóza už dlho pozorovaná a kvalitatívne opísaná, vedci zistili, ako zvrátiť tento proces, až do polovice -}}}}}}}}}}}}} Použitím vonkajšieho tlaku väčšieho ako osmotického tlaku na koncentrovaný roztok migrujú molekuly vody z koncentračného roztoku s vysokým - do roztoku s nízkym koncentráciou. Tento proces je známy ako reverzná osmóza. Najväčšími výzvami, ktorým čelia počiatočný vývoj membrán reverznej osmózy, boli výber materiálu a návrh membránovej štruktúry: dosiahnutie dostatočnej selektivity bez obetovania toku.

2. Loeb a Sourirajan's Asymetric Membrán Prielom (1959)
V roku 1959 vyvinuli Loeb a Sourirajan z Kalifornskej univerzity v Los Angeles prvú priemyselne životaschopnú reverznú osmózu membrány. Pomocou metódy fázovej inverzie vyrobili membránu octanu celulózy s odlišnou asymetrickou štruktúrou. Povrchová vrstva membrány, približne 0,2 až 0,5 mikrónov, vykazuje extrémne vysokú selektivitu. Podkladová pórovitá štruktúra poskytuje mechanickú podporu a znižuje odolnosť proti prietoku. Táto asymetrická membrána dosahuje mieru odmietnutia soli až 98% a tok desiatok litrov za štvorcový meter za hodinu, čím sa základ pre následné priemyselné aplikácie.

3. Projekt vlády USA a pilotné zariadenia UCLA

Americká kancelária slanej vody financovala tento výskum koncom 50. rokov 20. storočia a založila prvú experimentálnu závod na odsoľovanie morskej vody. Tento systém s použitím asymetrickej Membrány RO produkoval 14 ton sladkej vody za deň. Aj keď je tento úspech stále relatívne veľký a nákladný, tento úspech prvýkrát preukázal, že technológia RO bola nielen teoreticky uskutočniteľná, ale aj dosiahnuteľná v praktickom meradle, pričom pri praktickom uplatňovaní membránovej separácie pri úrade vody sa dosiahla.

1. Vývoj dosky - a - rám a špirála - membránové moduly membrány.
Keď sa membránové materiály reverznej osmózy stali stabilnejšími, optimalizácia membránovej štruktúry ako komponentu zariadenia sa stala rozhodujúcou pre priemyselný rozvoj. V roku 1969 spoločnosť DuPont predstavila B - 9 špirálových - membránového prvku. Tento návrh umožnil väčšiu membránovú plochu v rámci obmedzeného objemu, čo výrazne zlepšuje kapacitu spracovania systému a energetickú účinnosť. V porovnaní s tradičnými doskami - a {- rámcových štruktúr ponúka membránové moduly špirály vkĺznutých membránových modulov vyššej objemovej hustoty membránovej plochy, nižší pokles tlaku a nižšie požiadavky na údržbu, ktoré sa rýchlo stávajú hlavným formálnym faktorom pre priemyselné aplikácie RO.

2. Rýchle rozšírenie medzinárodného trhu
V roku 1970 spoločnosť Toray Industries, Japonsko, dokončila prvú komerčnú reverznú reverznú osmóznu membránovú výrobnú linku v Ázii, ktorá označila začiatok rozšírenia RO Technology v Ázii - Tichomoria. Spoločnosť propagovala aplikáciu technológie membránovej separácie pri výrobe ultrapúrovej vody pre elektroniku, koncentráciu potravín a nápojov a opätovné použitie odpadových vôd, čo vedie k rýchlemu pokroku vo výkone membránového materiálu a integrácii zariadení v celom regióne.

3. Overenie vojenských aplikácií USA: Mobile RO jednotky
Od roku 1965 do roku 1968 spolupracovala americké námorníctvo s tímom Loeb na vývoji mobilnej odsoľovacej jednotky morskej vody (MSDU). Táto jednotka by mohla byť nasadená na lodiach, na predných základniach av drsnom prostredí na odsoľovanie morskej vody. Tento projekt nielen demonštroval uskutočniteľnosť systémov RO vo vojenských a katastrofách, ale tiež uľahčil následné nasadenie jednotiek RO v prístavoch, mestách s nedostatkom vody a odľahlých ostrovov.

1. Hlavný prielom v štruktúre membránového materiálu: kompozitná membrána TFC
V roku 1980 Cadotte navrhol aromatickú polyamidovú kompozitnú membránu (kompozit tenkého filmu, TFC) vyrobenú s použitím interfaciálnej polymerizácie. Táto membrána pozostáva z troch vrstiev: netkanej vrstvy podpora tkaniny, pórovitej polysulfónovej medziprodukčnej vrstvy a ultra {- tenkú povrchovú vrstvu polyamidu. Polyamidová povrchová vrstva, iba niekoľko stoviek nanometrov, vykazuje vynikajúce odmietnutie soli. Táto štruktúra nielen významne zlepšuje membránový tok a selektivitu, ale tiež umožňuje prispôsobenie membránového výkonu špecifickým zdrojom vody, čím sa stáva štandardnou architektúrou pre následné membránové materiály RO.

2. Komercializácia: rozšírená aplikácia série Dow Filmtec ™
V roku 1982 spoločnosť Dow Chemical Company uviedla na trh značku RO Membrán „Filmtec ™“ vrátane reprezentatívnych modelov, ako sú BW30 a SW30. Tieto membrány, ktoré sa vyznačujú vysokým odporom znečistenia, vysokým tokom a stabilným prevádzkovým životom, sa široko používajú v odvetviach, ako je napríklad prívod mestskej vody, odsoľovanie morskej vody, elektronika a polovodiče, potraviny a nápoje a chemikálie, ktoré vytvárajú dominantné postavenie membrán TFC na trhu.

3. Veľký - Demonštračný projekt: Orange County Water Factory 21
V roku 1990 postavil vodný úrad v okrese Orange v Kalifornii v USA, ktorý využíva systém RO na zabezpečenie vysokého - kvalitné zaobchádzanie s obecnou odpadovou vodou. Tento systém potom prechádza pokročilým ošetrením UV žiarením a aktívnym uhlím, čo vedie k nepriamemu pitiu recyklovanej vody. To znamenalo prvý úspešný veľký veľký - stupnica "Pitie - Recyklovanú vodu triedy", čo označuje významný prechod technológie RO z priemyselnej úpravy vody na bezpečnosť pitnej vody.

1. Anti - znečistenie a vývoj nano - modifikovaných membrán
Membránové znečistenie bolo vždy hlavnou prekážkou dlhej - termínovej prevádzky technológie RO. Vedci zavádzajú nanomateriály, ako sú Tio₂, ZnO a AG, zavádzajú nanomateriály, ako sú Tio₂, ZnO a AG. Tieto materiály poskytujú anti - vlastnosti biologickej adhézie a fotokatalytického rozkladu organických látok, čo významne rozširuje prevádzkovú životnosť membrány. Napríklad Nanyang Technological University v Singapure vyvinula membránu TFC s fotokatalytickými self - možnosti čistenia prostredníctvom - situ toping.

2. Výrazne znížená spotreba energie odsoľovania: zariadenia na obnovenie energie PX
Tlakový výmenník PX (PX), ktorý spustil spoločnosť Energy Recovery Inc., obnovuje a prenáša zvyškový tlak zo soľanky na vstupnú stranu, čím znižuje špecifickú spotrebu energie systémov RO od skorších 6 - 8 kWh/m³ na 2-3 kWh/m³. Toto zariadenie sa široko používa vo rozsiahlych odsoľovacích projektoch v krajinách ako Izrael a Saudská Arábia, vďaka čomu je RO hlavnou odsoľovacou technológiou na celom svete.

3. Automatizácia a inteligentné riadiace systémy
Veľké - Scale RO systémy sú vybavené automatizovanou platformou správy založenou na PLC (programovateľné logické riadenie) a systému SCADA, čo umožňuje reálny - časový zber a riadenie údajov, ako je kvalita príkazov, membránový tok, diferenciálny tlak a index kontaminácie. Niektoré systémy zahŕňajú AI - asistované algoritmy na predpovedanie trenda membránových znečistenia a vopred iniciujú upozornenia na čistenie, čo umožňuje „bez dozoru“ operácie.

1
Tím GEIM (University of Manchester) začal skúmať molekulárne preosievanie vlastností GO membrán v roku 2013. Go Membrány majú jednu {{}} vrstvu, dve {{}}} Dimensional Structure a môžu dosiahnuť toky 10 až 100 -krát vyššie ako tradičné membrány. Môžu tiež dosiahnuť presné oddelenia úpravou rozstupu medzivrstvy. Medzi potenciálne aplikácie patrí odsoľovanie morskej vody, separácia ťažkých kovov a hodnota vysokej - - ošetrenie riešenia. Aj keď ešte nie sú úplne komercializované, považujú sa za kľúčového kandidáta na ďalšiu generáciu vysokých - výkonnostných membránových materiálov.

2. Ai - asistované RO optimalizácia a plánovanie
Vďaka rozsiahlemu prijatiu vedy o údajoch mnohé priemyselné systémy RO začleňuje algoritmy AI, ako sú neurónové siete a modely strojového učenia, inteligentne identifikovať a optimalizovať typy membránových znečistenia, prevádzkové parametre a trendy spotreby energie.

3. Opätovné použitie odpadových membrán a pilotov obehovej ekonomiky
Projekt „Rewamem Project“ EÚ chemicky čistí a prepracováva odpadové membrány, ktoré ich premieňajú na nízke {- tlakové nanofiltračné membrány alebo membránové moduly MBR pre systémy opätovného použitia odpadovej vody alebo zavlažovacie vody. Tento projekt dosahuje viac ako 80% obnovenie membránových zdrojov, čo vedie k prechodu priemyslu RO smerom k nízkemu - uhlíkovi, trvalo udržateľným rozvojom.