Ιστορικό της ανάπτυξης μεμβρανών αντίστροφης όσμωσης RO

1. Η ανακάλυψη της όσμωσης και η εισαγωγή της έννοιας των ημιδιαστών μεμβρανών
Η ανάπτυξη της τεχνολογίας μεμβράνης αντίστροφης όσμωσης είναι αδιαχώριστη από την κατανόηση του φυσικού φαινομένου της "Όσμρωσης". Το 1827, ενώ μελετούσε τα φυτικά κύτταρα, ο γαλλικός φυσιολόγος Dutrochet παρατήρησε για πρώτη φορά τη μετανάστευση μορίων νερού μέσω κυτταρικών μεμβρανών από ένα χαμηλό διάλυμα συγκέντρωσης - σε ένα υψηλό διάλυμα συγκέντρωσης -. Αυτό το φαινόμενο, που ορίζεται ως "Όσμωση", επικεντρώνεται στην ύπαρξη μιας επιλεκτικά διαπερατής δομής, το SO - που ονομάζεται "ημιπερατή μεμβράνη". Παρόλο που τα τεχνητά υλικά μεμβράνης δεν είχαν ακόμη αναπτυχθεί αυτή τη στιγμή, τα πειράματα του Dutrochet παρείχαν τη θεωρητική βάση για τον διαχωρισμό μεμβράνης.

2. Δημιουργία του θερμοδυναμικού μοντέλου της οσμωτικής πίεσης

Μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, ο ολλανδός φυσικός χημικός Van 'T Hoff πρότεινε τη διάσημη εξίσωση ωσμωτικής πίεσης το 1886: π ({2}} imrt, όπου π είναι η οσμωτική πίεση, i είναι ο συντελεστής διάστασης διαλελυμένης, το m είναι η γραμμομοριακή συγκέντρωση, το r είναι η σταθερά αερίου και το t είναι η θερμοκρασία θερμοκρασίας. Αυτή η εξίσωση συνδυάζει το φαινόμενο της όσμωσης με τη θεωρία της χημικής θερμοδυναμικής και για πρώτη φορά ποσοτικοποίησε την κινητήρια δύναμη των διεργασιών μεμβράνης. Το έργο του Van 'T Hoff θεωρείται σημαντικό συστατικό των θερμοδυναμικών θεμελίων της μηχανικής διαχωρισμού μεμβράνης και παρέχει τη βάση για τις βασικές παραμέτρους στον επακόλουθο σχεδιασμό της διαδικασίας αντίστροφης όσμωσης.

3. Η εμφάνιση της προκαταρκτικής έρευνας για τις τεχνητές μεμβράνες

Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο Γερμανός μελετητής Bechhold ανέφερε για πρώτη φορά το 1907 τη χρήση μεμβρανών από νιτρικά κυτταρίνη για τον διαχωρισμό των κολλοειδών σωματιδίων. Αυτές οι μεμβράνες εμφάνισαν ένα ορισμένο βαθμό ημιπερίτισης. Αν και αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιήθηκε αρχικά κυρίως σε αναλυτική χημεία και βιολογικά πειράματα, αυτές οι μεμβράνες είχαν ήδη τις θεμελιώδεις ιδιότητες του ελεγχόμενου μεγέθους και της ροής των πόρων και θεωρούνται πρόδρομος για την εκβιομηχάνιση της τεχνολογίας μεμβράνης. Οι μεμβράνες του Bechhold χρησιμοποιήθηκαν ευρέως σε βασικά πειράματα όπως ο διαχωρισμός των πρωτεϊνών και η συγκράτηση του ιού, προωθώντας έμμεσα την έρευνα και την τυποποίηση των φυσικών ιδιοτήτων του μεμβράνης (όπως η κατανομή του μεγέθους των πόρων, το πάχος και η δομική αντοχή).

1. Η πρώτη εφαρμογή της αντίστροφης όσμωσης
Αν και η όσμωση είχε παρατηρηθεί από καιρό και περιγράφεται ποιοτικά, δεν ήταν μέχρι τα μέσα - 20ος αιώνας, οι επιστήμονες ανακάλυψαν πώς να αντιστρέψουν τη διαδικασία. Με την εφαρμογή εξωτερικής πίεσης μεγαλύτερη από την οσμωτική πίεση στο συμπυκνωμένο διάλυμα, τα μόρια νερού μεταναστεύουν από ένα υψηλό διάλυμα συγκέντρωσης - σε ένα διάλυμα χαμηλής συγκέντρωσης. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως αντίστροφη όσμωση. Οι μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν στην αρχική ανάπτυξη των μεμβρανών αντίστροφης όσμωσης ήταν η επιλογή των υλικών και ο σχεδιασμός της δομής της μεμβράνης: η επίτευξη επαρκούς επιλεκτικότητας χωρίς να θυσιάζεται η ροή.

2. Loeb και Sourirajan ασύμμετρη επανάσταση της μεμβράνης (1959)
Το 1959, ο Loeb και ο Sourirajan του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, στο Λος Άντζελες, ανέπτυξαν την πρώτη βιομηχανική βιώσιμη μεμβράνη αντίστροφης όσμωσης στον κόσμο. Χρησιμοποιώντας μια μέθοδο αναστροφής φάσης, κατασκευάζουν μια μεμβράνη οξικής κυτταρίνης με μια ξεχωριστή ασύμμετρη δομή. Το επιφανειακό στρώμα της μεμβράνης, πάχος περίπου 0,2 έως 0,5 μικρών, παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή εκλεκτικότητα. Η υποκείμενη πορώδη δομή παρέχει μηχανική υποστήριξη και μειώνει την αντοχή στη ροή. Αυτή η ασύμμετρη μεμβράνη επιτυγχάνει ρυθμό απόρριψης αλατιού μέχρι 98% και ροή δεκάδων λίτρων ανά τετραγωνικό μέτρο ανά ώρα, τοποθετώντας τα θεμέλια για επακόλουθες βιομηχανικές εφαρμογές.

3. Το κυβερνητικό έργο των ΗΠΑ και το πιλοτικό εργοστάσιο της UCLA

Το Αμερικανικό Γραφείο Νερό του αλατόνερου χρηματοδότησε αυτή την έρευνα στα τέλη της δεκαετίας του 1950 και καθιέρωσε το πρώτο πειραματικό εργοστάσιο αφαλάτωσης θαλασσινού νερού. Αυτό το σύστημα, χρησιμοποιώντας μια ασύμμετρη μεμβράνη RO, παρήγαγε 14 τόνους γλυκού νερού την ημέρα. Παρόλο που εξακολουθεί να είναι σχετικά μεγάλο και δαπανηρό για να λειτουργήσει, αυτό το επίτευγμα απέδειξε για πρώτη φορά ότι η τεχνολογία RO δεν ήταν μόνο θεωρητικά εφικτή αλλά και εφικτή σε πρακτική κλίμακα, εισάγοντας στην πρακτική εφαρμογή του διαχωρισμού μεμβράνης στην επεξεργασία του νερού.

1. Ανάπτυξη πλάκας - και - πλαίσιο και σπειροειδής - μονάδες μεμβράνης πληγής
Καθώς τα υλικά μεμβράνης αντίστροφης όσμωσης έγιναν πιο σταθερά, η βελτιστοποίηση της δομής της μεμβράνης ως συστατικό της συσκευής έγινε κρίσιμη για τη βιομηχανική ανάπτυξη. Το 1969, ο Dupont εισήγαγε το στοιχείο B - 9 spiral -. Αυτός ο σχεδιασμός επέτρεψε μια μεγαλύτερη περιοχή μεμβράνης σε περιορισμένο όγκο, βελτιώνοντας σημαντικά την ικανότητα επεξεργασίας του συστήματος και την ενεργειακή απόδοση. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές πλάκες - και - δομές πλαισίου, οι μονάδες μεμβράνης με σπείρα προσφέρουν υψηλότερη ογκομετρική πυκνότητα περιοχής μεμβράνης, χαμηλότερη πτώση πίεσης και χαμηλότερες απαιτήσεις συντήρησης, που γρήγορα γίνονται ο κύριος παράγοντας μορφής για τις βιομηχανικές εφαρμογές RO.

2. Ταχεία επέκταση της διεθνούς αγοράς
Το 1970, η Toray Industries, Ιαπωνία, ολοκλήρωσε τη πρώτη γραμμή παραγωγής μεμβράνης της Ασίας, σηματοδοτώντας την αρχή της επέκτασης της τεχνολογίας RO στην Ασία - περιοχή του Ειρηνικού. Η εταιρεία πρωτοστάτησε στην εφαρμογή της τεχνολογίας διαχωρισμού μεμβρανών στην παραγωγή εξαιρετικά νερού για ηλεκτρονικά, συγκέντρωση τροφίμων και ποτών και επαναχρησιμοποίηση λυμάτων, οδηγώντας ταχείες εξελίξεις στην απόδοση υλικού μεμβράνης και την ολοκλήρωση των συσκευών σε ολόκληρη την περιοχή.

3. Επαλήθευση στρατιωτικών εφαρμογών των ΗΠΑ: Μονάδες κινητής τηλεφωνίας RO
Από το 1965 έως το 1968, το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ συνεργάστηκε με την ομάδα του Loeb για την ανάπτυξη της κινητής μονάδας αφαλάτωσης θαλασσινού νερού (MSDU). Αυτή η μονάδα θα μπορούσε να αναπτυχθεί σε πλοία, σε βάσεις προς τα εμπρός, και σε σκληρά περιβάλλοντα για αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Το έργο αυτό όχι μόνο κατέδειξε τη σκοπιμότητα των συστημάτων RO σε στρατιωτικές και καταστροφικές ρυθμίσεις, αλλά διευκόλυνε επίσης την επακόλουθη ανάπτυξη μονάδων RO σε λιμάνια, πόλεις με ελλείψεις νερού και απομακρυσμένα νησιά.

1. Σημαντική ανακάλυψη στη δομή υλικού μεμβράνης: σύνθετη μεμβράνη TFC
Το 1980, η Cadotte πρότεινε μια σύνθετη μεμβράνη αρωματικού πολυαμιδίου (σύνθετο λεπτό φιλμ, TFC) που κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας διεπιφανειακό πολυμερισμό. Αυτή η μεμβράνη αποτελείται από τρία στρώματα: ένα μη υφασμένο στρώμα υποστήριξης υφάσματος, ένα πορώδες ενδιάμεσο στρώμα πολυσουλφόνης και ένα Ultra - λεπτό επιφανειακό στρώμα πολυαμιδίου. Το επιφανειακό στρώμα πολυαμιδίου, μόνο μερικές εκατοντάδες παχιά νανόμετρα, παρουσιάζει εξαιρετική απόρριψη αλατιού. Αυτή η δομή όχι μόνο βελτιώνει σημαντικά τη ροή της μεμβράνης και την επιλεκτικότητα, αλλά επιτρέπει επίσης την προσαρμογή της απόδοσης της μεμβράνης σε συγκεκριμένες πηγές νερού, καθιστώντας την τυποποιημένη αρχιτεκτονική για τα επακόλουθα υλικά μεμβράνης RO.

2. Εμπορική: Διαδεδομένη εφαρμογή της σειράς Dow Filmtec ™
Το 1982, η Dow Chemical Company ξεκίνησε το εμπορικό σήμα RO μεμβρανών "Filmtec ™", συμπεριλαμβανομένων αντιπροσωπευτικών μοντέλων όπως τα BW30 και SW30. Αυτές οι μεμβράνες, που χαρακτηρίζονται από υψηλή αντίσταση ρύπανσης, υψηλή ροή και σταθερή διάρκεια ζωής, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε βιομηχανίες όπως η δημοτική παροχή νερού, η αφαλάτωση των θαλασσινών, τα ηλεκτρονικά και οι ημιαγωγοί, τα τρόφιμα και τα ποτά και τα χημικά, δημιουργώντας την κυρίαρχη θέση των μεμβρανών TFC στην αγορά.

3. Large - Έργο επίδειξης κλίμακας: Orange County Water Factory 21
Το 1990, η Αρχή Υδάτων της Orange County στην Καλιφόρνια, ΗΠΑ, κατασκευάστηκε εργοστάσιο νερού 21, το οποίο χρησιμοποιεί ένα σύστημα RO για την παροχή υψηλών - ποιοτικής μεταχείρισης για δημοτικά λυμάτων. Το σύστημα αυτό υφίσταται προηγμένη θεραπεία με ακτινοβολία υπεριώδους και ενεργοποιημένο άνθρακα, με αποτέλεσμα την έμμεση κατανάλωση ανακυκλωμένου νερού. Αυτό σηματοδότησε την πρώτη επιτυχημένη μεγάλη κλίμακα - "Πόσιμο -} Ανακυκλωμένο νερό", σημειώνοντας τη σημαντική μετάβαση της τεχνολογίας RO από τη βιομηχανική επεξεργασία νερού στην ασφάλεια πόσιμου νερού.

1.
Η ρύπανση της μεμβράνης ήταν πάντα ένα σημαντικό εμπόδιο στο μακρύ - λειτουργία της τεχνολογίας RO. Για να βελτιωθεί οι δυνατότητες αντιρρυπαντικών μεμβράνης, οι ερευνητές εισάγουν νανοϋλικά όπως Tio₂, ZnO και AG στην επιφάνεια της μεμβράνης. Αυτά τα υλικά προσδίδουν αντι -- ιδιότητες βιολογικής προσκόλλησης και φωτοκαταλυτική αποσύνθεση της οργανικής ύλης, επεκτείνοντας σημαντικά τη λειτουργία λειτουργίας της μεμβράνης. Για παράδειγμα, το Nanyang Technological University στη Σιγκαπούρη έχει αναπτύξει μια μεμβράνη TFC με φωτοκαταλυτικές εαυτές - Καθαρισμού μέσω - situ tio₂ doping.

2. Σημαντικά μειωμένη κατανάλωση ενέργειας αφαλάτωσης: συσκευές ανάκτησης ενέργειας PX
Ο εναλλάκτης πίεσης PX (PX) που ξεκίνησε από την Energy Recovery Inc. ανακάμπτει και μεταφέρει υπολειμματική πίεση από άλμη στην πλευρά εισόδου, μειώνοντας την ειδική κατανάλωση ενέργειας RO από τα προηγούμενα 6 - 8 kWh/m³ έως 2-3 kWh/m³. Αυτή η συσκευή χρησιμοποιείται ευρέως σε έργα αφαλάτωσης μεγάλης κλίμακας σε χώρες όπως το Ισραήλ και η Σαουδική Αραβία, καθιστώντας την τεχνολογία αφαλάτωσης παγκοσμίως.

3. Συστήματα αυτοματισμού και ευφυούς ελέγχου
Τα μεγάλα συστήματα RO RO είναι εξοπλισμένα με μια αυτοματοποιημένη πλατφόρμα διαχείρισης που βασίζεται σε PLC (προγραμματιζόμενο λογικό έλεγχο) και σύστημα SCADA, επιτρέποντας την πραγματική - τη συλλογή και τον έλεγχο των δεδομένων, όπως η ποιότητα επιρροής, η ροή μεμβράνης, η διαφορική πίεση και ο δείκτης μόλυνσης. Ορισμένα συστήματα ενσωματώνουν τους αλγόριθμους AI - για να προβλέψουν τις τάσεις της ρύπανσης μεμβράνης και να ξεκινήσουν εκ των προτέρων ειδοποιήσεις καθαρισμού, επιτρέποντας τη λειτουργία "χωρίς επιτήρηση".

1. Πρόοδος έρευνας στις μεμβράνες οξειδίου του γραφένιου (GO)
Η ομάδα Geim (Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ) άρχισε να διερευνά τις ιδιότητες μοριακής κοσκινότητας των μεμβρανών GO το 2013. Μπορούν επίσης να επιτύχουν ακριβείς διαχωρισμούς ρυθμίζοντας την απόσταση μεταξύ των στρώσεων. Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν την αφαλάτωση θαλασσινού νερού, τον διαχωρισμό των βαρέων μετάλλων και την υψηλή τιμή - {- προστιθέμενη λύση. Παρόλο που δεν είναι ακόμη πλήρως εμπορεύονται, θεωρούνται βασικός υποψήφιος για την επόμενη γενιά υψηλής - μεμβράνης απόδοσης.

2. AI - Βοηθούμενη βελτιστοποίηση συστήματος RO και προγραμματισμός
Με την ευρεία υιοθέτηση της επιστήμης των δεδομένων, πολλά βιομηχανικά συστήματα RO ενσωματώνουν αλγόριθμους AI, όπως τα νευρωνικά δίκτυα και τα μοντέλα μηχανικής μάθησης, για την έξυπνη εντοπισμό και βελτιστοποίηση των τύπων ρύπανσης μεμβράνης, των παραμέτρων λειτουργίας και των τάσεων κατανάλωσης ενέργειας.

3. Επαναχρησιμοποίηση μεμβρανών αποβλήτων και πιλότων κυκλικής οικονομίας
Το έργο "Rewamem" της ΕΕ καθαρίζει χημικά και επαναπροσδιορίζει τις μεμβράνες RO, μετατρέποντάς τους σε χαμηλές μεμβράνες νανοσωματιδίων πίεσης ή μεμβράνες MBR για μεμβράνες προ -επεξεργασίας λυμάτων ή συστήματα επαναχρησιμοποίησης νερού. Το έργο αυτό επιτυγχάνει πάνω από 80% ανάκτηση πόρων μεμβράνης, οδηγώντας τη μετάβαση της βιομηχανίας RO προς χαμηλή - άνθρακα, βιώσιμη ανάπτυξη.