Historia rozwoju membran odwrotnej osmozy RO

1. Odkrycie osmozy i wprowadzenie koncepcji półprzepuszczalnych błon
Rozwój technologii błony odwróconej osmozy jest nierozerwalnie związany ze zrozumieniem naturalnego zjawiska „osmozy”. W 1827 r., Studiując komórki roślinne, francuski fizjolog Dutrochet po raz pierwszy zaobserwował migrację cząsteczek wody przez błony komórkowe z roztworu o niskim - roztworu o wysokim -. Zjawisko to, zdefiniowane jako „osmoza”, koncentruje się na istnieniu selektywnie przepuszczalnej struktury, SO - nazywanej „membraną półprzezmianową”. Chociaż w tym czasie nie opracowano jeszcze sztucznych materiałów błonowych, eksperymenty Dutrochet stanowiły teoretyczne podstawy rozdzielenia błon.

2. Ustanowienie modelu termodynamicznego ciśnienia osmotycznego

Pod koniec XIX wieku holenderski chemik fizyczny Van 'T Hoff zaproponował słynne równanie ciśnienia osmotycznego w 1886 r.: Π=IMRT, gdzie π jest ciśnieniem osmotycznym, i jest czynnikiem dysocjacji substancji rozpuszczalnej, M jest stężeniem molowym, jest stałą gazu, a T jest temperaturą termodynamiczną. Równanie to połączyło zjawisko osmozy z teorią termodynamiki chemicznej i po raz pierwszy określało ilościowo siłę napędową procesów membranowych. Prace Van Hoffa jest uważane za ważny element termodynamicznych fundamentów inżynierii rozdzielającej membrany i stanowiły podstawę kluczowych parametrów w późniejszym projekcie procesu odwróconej osmozy.

3. Pojawienie się wstępnych badań nad sztucznymi błonami

Na początku XX wieku niemiecki uczony Bechhold po raz pierwszy poinformował w 1907 r. Zastosowanie błon wykonanych z azotanu celulozowego do oddzielenia cząstek koloidalnych. Membrany te wykazywały pewien stopień półprzestrzenności. Chociaż technologia ta była początkowo stosowana przede wszystkim w analitycznej chemii i eksperymentach biologicznych, membrany te posiadały już podstawowe właściwości kontrolowanej wielkości porów i strumienia porów i są uważane za prekursor industrializacji technologii membranowej. Membrany Bechholda były szeroko stosowane w podstawowych eksperymentach, takich jak rozdział białka i retencja wirusa, pośrednio promując badania i standaryzację właściwości fizycznych materiału błonowego (takie jak rozkład wielkości porów, grubość i wytrzymałość strukturalna).

1. Pierwsze zastosowanie odwrotnej osmozy
Chociaż Osmoza od dawna obserwowano i jakościowo opisano, dopiero w połowie XX wieku naukowcy odkryli, jak odwrócić ten proces. Nakładając ciśnienie zewnętrzne większe niż ciśnienie osmotyczne na stężonym roztworze, cząsteczki wody migrują z roztworu o wysokim - do roztworu o niskim stężeniu. Proces ten jest znany jako odwrócona osmoza. Największymi wyzwaniami przed początkowym rozwojem membran odwrotnej osmozy były wybór materiału i projekt struktury błony: osiągnięcie wystarczającej selektywności bez poświęcania strumienia.

2. Asymetryczny przełom membrany Loeba i Sourirajana (1959)
W 1959 r. Loeb i Sourirajan z University of California w Los Angeles opracowali pierwszą na świecie opłacalną membranę odwrotnej osmozy. Stosując metodę inwersji fazowej, wytworzyli błonę octanu celulozowego o wyraźnej asymetrycznej strukturze. Warstwa powierzchniowa membrany o grubości około 0,2 do 0,5 mikronów wykazuje wyjątkowo wysoką selektywność. Podstawowa porowata struktura zapewnia wsparcie mechaniczne i zmniejsza odporność na przepływ. Ta asymetryczna membrana osiąga wskaźnik odrzucenia soli do 98% i strumień dziesiątek litrów na metr kwadratowy na godzinę, kładąc podwaliny pod użyciu kolejnych zastosowań przemysłowych.

3. Projekt rządowy USA i zakład pilotażowy UCLA

Amerykańskie Biuro Wody Saline Finansowało te badania pod koniec lat 50. XX wieku i ustanowiło pierwszą eksperymentalną fabrykę odsalania wody morskiej. Ten system, przy użyciu asymetrycznej membrany RO, wytwarzał 14 ton słodkiej wody dziennie. Choć nadal stosunkowo duże i kosztowne w obsłudze, osiągnięcie to wykazało po raz pierwszy, że technologia RO była nie tylko teoretycznie wykonalna, ale także osiągalna w praktycznej skali, wprowadzając praktyczne zastosowanie rozdziału błon w obróbce wody.

1. Rozwój płytki - i - ramy i spirala - moduły membranowe ran
Ponieważ materiały membranowe z odwróconą osmozą stały się bardziej stabilne, optymalizacja struktury membranowej jako komponent urządzenia stał się kluczowy dla rozwoju przemysłowego. W 1969 r. Dupont wprowadził B - 9 Spiral - element membrany ran. Ta konstrukcja pozwoliła na większy obszar membrany w ograniczonej objętości, znacznie poprawiając zdolność przetwarzania systemu i efektywność energetyczną. W porównaniu z tradycyjną płytą - i - struktury ramy, moduły membranowe spiral-płasko oferują wyższą gęstość objętościowej membrany, niższy spadek ciśnienia i niższe wymagania dotyczące konserwacji, szybko stając się głównym współczynnikiem formularzy dla zastosowań przemysłowych RO.

2. Szybka ekspansja rynku międzynarodowego
W 1970 r. Toray Industries, Japonia, zakończyła pierwszą komercyjną linię produkcyjną membrany odwrotnej osmozy, oznaczając początek ekspansji technologii RO w regionie Azji - Pacific. Firma była pionierem zastosowania technologii rozdzielenia membran w produkcji ultraczystej wody do elektroniki, stężenia żywności i napojów oraz ponownego użycia ścieków, zwiększając szybkie postępy w wydajności materiałów i integracji materiałów w całym regionie.

3. Weryfikacja aplikacji wojskowych USA: Mobile RO jednostki
W latach 1965–1968 amerykańska marynarka wojenna współpracowała z zespołem Loeba w celu opracowania mobilnej jednostki odsalania wody morskiej (MSDU). Jednostka ta może być rozmieszczona na statkach, na bazach do przodu i w trudnych środowiskach, aby odsalić wodę morską. Projekt ten wykazał nie tylko wykonalność systemów RO w warunkach pomocy wojskowej i katastrofy, ale także ułatwił późniejsze rozmieszczenie jednostek RO w portach, miastach z niedoborami wody i odległych wysp.

1. Główny przełom w strukturze materiału membrany: Membrana kompozytowa TFC
W 1980 r. Cadotte zaproponował aromatyczną membranę kompozytową poliamidową (cienki film kompozytowy, TFC) wytworzony przy użyciu polimeryzacji międzyfazowej. Ta membrana składa się z trzech warstw: nietopionej warstwy wsporczej tkaniny, porowatej warstwy pośredniej polisulfonowej i cienkiej warstwy powierzchniowej poliamidu ultra -. Warstwa powierzchniowa poliamidowa o grubości zaledwie kilkuset nanometrów wykazuje doskonałe odrzucenie soli. Ta struktura nie tylko znacznie poprawia strumień i selektywność membrany, ale także pozwala na dostosowanie wydajności membrany do określonych źródeł wody, stając się standardową architekturą dla następujących materiałów membranowych RO.

2. Komercjalizacja: powszechne zastosowanie serii Dow Filmtec ™
W 1982 r. Firma Dow Chemical Company wprowadziła markę błon RO „Filmtec ™”, w tym reprezentatywne modele, takie jak BW30 i SW30. Membrany te, charakteryzujące się wysoką odpornością na zanieczyszczenie, wysoki strumień i stabilny żywotność operacyjną, były szeroko stosowane w branżach takich jak zaopatrzenie w wodę miejskie, odsalanie wody morskiej, elektronika i półprzewodniki, żywność i napoje oraz chemikalia, ustanawiając dominującą pozycję TFC Membran na rynku.

3. Duży - Projekt demonstracji skali: Orange County Water Factory 21
W 1990 r. Orange County Water Authority w Kalifornii w USA zbudował Factory Water 21, który wykorzystuje system RO do zapewnienia wysokiej jakości oczyszczania ścieków miejskich. System ten przechodzi następnie zaawansowane oczyszczanie promieniowania UV i węglem aktywnym, co powoduje pośrednie picie wody z recyklingu. Oznaczało to pierwszy na świecie duży duża duża skala - „Picie - woda z recyklingu”, co oznacza znaczące przejście technologii RO od przemysłowego oczyszczania wody do bezpieczeństwa wody pitnej.

1. Przerwanie anty - i rozwój nano - membrany zmodyfikowanych
Zadranienie membrany zawsze było główną przeszkodą dla długiego - działalności technologii RO. Aby poprawić zdolności przeciwbiałowe błony, naukowcy wprowadzają nanomateriały, takie jak Tio₂, ZnO i AG na powierzchnię membrany. Materiały te nadają właściwości adhezji biologicznej Anti - i fotokatalityczne rozkład materii organicznej, znacznie rozszerzając żywotność operacyjną membrany. Na przykład Nanyang Technological University w Singapurze opracował membranę TFC z fotokatalityczną samopoczuciem - możliwości czyszczenia w - Sittu Tio₂ Doping.

2. Znacząco zmniejszone zużycie energii odsalania: urządzenia odzyskiwania energii PX
Wymiennik ciśnienia PX (PX) uruchomiony przez Energy Recovery Inc. odzyskuje i przenosi ciśnienie resztkowe z solanki na stronę wlotową, zmniejszając specyficzne zużycie energii systemów RO z wcześniejszych 6 - 8 kWh/m3 do 2-3 kWh/m3. To urządzenie jest szeroko stosowane w dużych projektach odsalania w krajach takich jak Izrael i Arabia Saudyjska, co czyni technologię odsalania głównego nurtu na całym świecie.

3. Systemy automatyzacji i inteligentnego sterowania
Duże systemy RO - są wyposażone w zautomatyzowaną platformę zarządzania opartą na systemie PLC (programowalna kontrola logiki) i SCADA, umożliwiając Real - zbieranie czasu i kontrola danych, takie jak jakość wpływu, strumień membrany, różnicowy ciśnienie i indeks zanieczyszczenia. Niektóre systemy zawierają algorytmy wspomagane AI - do przewidywania trendów zanieczyszczenia membrany i wcześniejszego inicjowania ostrzeżeń czyszczenia, umożliwiając operowanie „bez opieki”.

1. Badanie postępów na membranach tlenku grafenu (GO)
Zespół GEIM (University of Manchester) rozpoczął eksplorowanie właściwości pieców molekularnych błon Go w 2013 roku. GO Membrany mają jedną warstwę -, dwie - struktura i może osiągnąć struktury 10 do 100 razy wyższe niż tradycyjne błony. Mogą również osiągnąć precyzyjne separacje, dostosowując odstępy międzywarstwowe. Potencjalne zastosowania obejmują odsalanie wody morskiej, separacja metali ciężkich i wysoką wartość - - Dodano leczenie rozwiązań. Chociaż nie są jeszcze w pełni skomercjalizowane, są one uważane za kluczowego kandydata do nowej generacji materiałów membranowych o wysokiej generacji -.

2. AI - wspomagane optymalizacja systemu i planowanie systemu RO
Wraz z powszechnym przyjęciem nauki o danych, wiele przemysłowych systemów RO obejmuje algorytmy AI, takie jak sieci neuronowe i modele uczenia maszynowego, aby inteligentnie identyfikować i optymalizować typy zanieczyszczenia membran, parametry operacyjne i trendy zużycia energii.

3. Ponowne wykorzystanie błon odpadowych i pilotów gospodarki o obiegu zamkniętym
„Projekt Rewamem” UE chemicznie czyści i przetwarza błony RO, przekształcając je w niskie - membrany nanofiltracji ciśnieniowej lub moduły błonowe MBR do wstępnego obróbki ścieków lub systemów ponownego wykorzystania wody nawadniania. Ten projekt osiąga ponad 80% odzyskiwania zasobów membranowych, powodując przejście branży RO w kierunku niskiego -, zrównoważonego rozwoju.