Historie vývoje membrán reverzní osmózy RO

1. objev osmózy a zavedení konceptu semipermeable membrány
Vývoj technologie membrány reverzní osmózy je neoddělitelný od pochopení přirozeného jevu „osmózy“. V roce 1827, při studiu rostlinných buněk, francouzský fyziolog Dutrochet nejprve pozoroval migraci molekul vody prostřednictvím buněčných membrán z nízkého koncentračního roztoku -} na vysoký koncentrační roztok -. Tento jev, definovaný jako „osmóza“, se soustředí na existenci selektivně propustné struktury, So - nazývané „semipermeable membrána“. Ačkoli v této době nebyly dosud vyvinuty umělé membránové materiály, Dutrochetovy experimenty poskytly teoretický základ pro separaci membrány.

2. založení termodynamického modelu osmotického tlaku

Na konci 19. století navrhl nizozemský fyzikální chemik Van 'T Hoff slavnou osmotickou tlakovou rovnici v roce 1886: π=IMRT, kde π je osmotický tlak, i je disociační faktor solutu, m je molární koncentrace, R je plynná konstanta a T je termodynamická teplota. Tato rovnice kombinovala jev osmózy s teorií chemické termodynamiky a poprvé kvantifikovala hnací sílu membránových procesů. Práce Van 't Hoff je považována za důležitou součást termodynamických základů separačního inženýrství membrány a poskytuje základ pro klíčové parametry v následném návrhu procesu reverzní osmózy.

3.. Vznik předběžného výzkumu umělých membrán

Na začátku 20. století německý učenec Bechhold poprvé v roce 1907 poprvé uvedl použití membrán vyrobených z dusičnanu celulózy pro separaci koloidních částic. Tyto membrány vykazovaly určitý stupeň semipermeability. Ačkoli tato technologie byla původně používána primárně v analytické chemii a biologické experimenty, tyto membrány již měly základní vlastnosti kontrolovatelné velikosti a toku pórů a jsou považovány za předchůdce industrializace membránové technologie. Membrány Bechholdu byly široce používány v základních experimentech, jako je separace proteinu a retence virů, nepřímo podporující výzkum a standardizaci fyzikálních vlastností membránového materiálu (jako je distribuce velikosti pórů, tloušťka a strukturální síla).

1. První aplikace reverzní osmózy
Přestože byla osmóza dlouhodobě pozorována a kvalitativně popsána, až do poloviny - 20. století vědci objevili, jak tento proces zvrátit. Nanesením vnějšího tlaku většího než osmotický tlak na koncentrovaný roztok migrují molekuly vody z vysokého koncentračního roztoku -}-} na nízkokoncentrační roztok. Tento proces je známý jako reverzní osmóza. Největší výzvy, kterým čelí počáteční vývoj membrán reverzní osmózy, byly výběr materiálu a konstrukce membrány: dosažení dostatečné selektivity bez obětování toku.

2. LOEB A ASYMmetrické membrány Loeb a Sourirajana (1959)
V roce 1959 vyvinuli Loeb a Sourirajan z University of California v Los Angeles první průmyslově životaschopnou membránu osmózy na světě. Pomocí metody fázové inverze vyrobili celulózovou acetátovou membránu s výraznou asymetrickou strukturou. Povrchová vrstva membrány, přibližně 0,2 až 0,5 mikronů, vykazuje extrémně vysokou selektivitu. Základní porézní struktura poskytuje mechanickou podporu a snižuje odolnost proti toku. Tato asymetrická membrána dosahuje rychlosti odmítnutí soli až 98% a tok desítek litrů na metr čtvereční za hodinu a položení základů pro následné průmyslové aplikace.

3. projekt vlády USA a pilotní závod UCLA

Americká kancelář pro slanou vodu financovala tento výzkum na konci padesátých let a založila první experimentální odsolovací závod na mořskou vodu. Tento systém pomocí asymetrické RO membrány produkoval 14 tun sladké vody denně. Přestože je tento úspěch stále relativně velký a nákladný, poprvé ukázal, že techno technologie byla nejen teoreticky proveditelná, ale také dosažitelná v praktickém měřítku, což uvádí praktickou aplikaci separace membrány při úpravě vody.

1. Vývoj desky - a - rámu a spirály - Membránové moduly rány
Vzhledem k tomu, že se materiály membrány reverzní osmózy staly stabilnějšími, optimalizace membránové struktury jako součásti zařízení se stala zásadní pro průmyslový vývoj. V roce 1969 představil DuPont B - 9 Spiral - Membránový prvek. Tento návrh umožnil větší oblast membrány v omezeném objemu, což výrazně zlepšilo kapacitu zpracování systému a energetickou účinnost. Ve srovnání s tradiční deskou - a - rámové struktury, spirálovité membránové moduly nabízejí vyšší hustotu objemné membrány, nižší pokles tlaku a nižší požadavky na údržbu a rychle se stávají hlavním tvarovým faktorem pro průmyslové aplikace RO.

2. rychlé rozšíření mezinárodního trhu
V roce 1970 dokončila Toray Industries, Japonsko, první komerční komerční produkční linku membrány z reverzní osmózy v Asii, což znamenalo začátek expanze společnosti RO Technology v Asii - Pacific Region. Společnost propagovala aplikaci technologie separace membrány při výrobě ultrapurové vody pro elektroniku, koncentraci potravin a nápojů a opětovné použití odpadních vod, což vedlo k rychlému pokroku v membránovém materiálu a integraci zařízení v celém regionu.

3. Ověření vojenské aplikace USA: Mobile RO jednotky
Od roku 1965 do roku 1968 americké námořnictvo spolupracovalo s týmem Loeb na vývoji mobilní jednotky odsolování mořské vody (MSDU). Tato jednotka by mohla být nasazena na lodích, vpřed a v drsném prostředí, aby se odsolovala mořská voda. Tento projekt prokázal nejen proveditelnost RO systémů ve vojenských a katastrofických pomocných prostředích, ale také usnadnil následné nasazení jednotek RO v přístavech, městech s nedostatkem vody a odlehlými ostrovy.

1. hlavní průlom ve struktuře membránového materiálu: kompozitní membrána TFC
V roce 1980 Cadotte navrhl aromatickou polyamidovou kompozitní membránu (kompozit tenkých filmů, TFC) vyrobenou pomocí mezifázové polymerace. Tato membrána se skládá ze tří vrstev: netkaná vrstva tkaniny, porézní polysulfonová středová vrstva a ultra - tenká polyamidová povrchová vrstva. Polyamidová povrchová vrstva, jen několik set nanometrů tlustá, vykazuje vynikající odmítnutí soli. Tato struktura nejen významně zlepšuje tok membrány a selektivitu, ale také umožňuje přizpůsobení výkonu membrány specifickým zdrojům vody a stává se standardní architekturou pro následné Membránové materiály RO.

2. komercializace: Rozsáhlá aplikace řady Dow Filmtec ™
V roce 1982 společnost Dow Chemical Company spustila značku „FilmTec ™“ RO membrány, včetně reprezentativních modelů, jako jsou BW30 a SW30. Tyto membrány, charakterizované vysokou odolností proti znečištění, vysokým tokem a stabilním provozním životem, byly široce používány v průmyslových odvětvích, jako je zásobování městskou vodou, odsolování mořské vody, elektronika a polovodiče, potraviny a nápoje a chemikálie, a na trhu zavádějí dominantní postavení TFC membrány.

3. Velký - Demonstrační projekt: Orange County Water Factory 21
V roce 1990 postavila vodní továrna 21 v Kalifornii v Kalifornii v Kalifornii v USA, která využívá systém RO k zajištění vysoké kvality - kvalitní čištění pro městskou odpadní vodu. Tento systém pak podstoupí pokročilé ošetření UV zářením a aktivovaným uhlíkem, což má za následek nepřímé pití recyklované vody. To znamenalo první úspěšný velký -} měřítko "pití - stupně recyklované vody" ", což znamenalo významný přechod techno technologie z průmyslového úpravy vody na bezpečnost pitné vody.

1. Anti - znečištění a vývoj nano - modifikovaných membrán
Membránové znečištění bylo vždy hlavní překážkou pro dlouhou - termín provoz techno technologie. Pro zlepšení schopností membrány antifoulingu vědci zavádějí nanomateriály, jako jsou Tio₂, ZnO a AG, do povrchu membrány. Tyto materiály propůjčují anti - biologické adhezní vlastnosti a fotokatalytický rozklad organické hmoty, což významně prodlouží provozní životnost membrány. Například technologická univerzita Nanyang v Singapuru vyvinula membránu TFC s fotokatalytickým já - čisticí schopnosti v - situaci.

2. významně snížená spotřeba energie odsolování: zařízení pro zotavení energie PX
Tlakový výměník PX (PX) spuštěn společností Energy Recovery Inc. zotavuje a přenáší zbytkový tlak ze solného roztoku na vstupní stranu, což snižuje specifickou spotřebu energie systémů RO z dřívějších 6 - 8 kWh/M³ na 2-3 kWh/m³. Toto zařízení je široce používáno ve velkých odsolovacích projektech v zemích, jako je Izrael a Saúdská Arábie, díky čemuž je celosvětová technologie odsolování hlavního proudu.

3. automatizace a inteligentní kontrolní systémy
Systémy RO Large - jsou vybaveny automatizovanou platformou pro správu založenou na PLC (Programovatelná logická kontrola) a SCADA, což umožňuje reálný - Sběr času a kontrola dat, jako je ovlivňující kvalitu, membránový tok, diferenciální tlak a index kontaminace. Některé systémy zahrnují AI - algoritmy asistované k predikci trendů znečištění membrány a zahájení upozornění na čištění předem, což umožňuje operaci „bez dozoru“.

1. Výzkum pokroku na membránách oxidu grafenu (GO)
Tým Geim (University of Manchester) začal zkoumat molekulární prosévací vlastnosti membrán GO v roce 2013. Membrány Go mají jednu vrstvu -, dva - rozměrové struktury a mohou dosáhnout toku 10 až 100krát vyšší než tradiční membrány. Mohou také dosáhnout přesných separací úpravou mezery mezivrstvy. Potenciální aplikace zahrnují odsolování mořské vody, oddělení těžkých kovů a vysokou - hodnota - přidaná léčba řešení. Ačkoli ještě nejsou plně komercializovány, jsou považovány za klíčového kandidáta pro příští generaci vysokých - membránových materiálů.

2. ai - Asisted RO Optimalizace a plánování
S rozsáhlým přijetím vědy o datech zahrnuje mnoho průmyslových systémů RO algoritmy AI, jako jsou neuronové sítě a modely strojového učení, aby inteligentně identifikovaly a optimalizovaly typy znečištění membrány, provozní parametry a trendy spotřeby energie.

3. opětovné použití odpadních membrán a pilotů kruhové ekonomiky
Chemicky čistí a přepracovává odpadní membrány EU „Projekt rewamemu“ EU a přeměňuje je na nízké - tlakové nanofiltrační membrány nebo membránové moduly MBR pro předběžné ošetření odpadní vody nebo zavlažovací systémy opětovného použití vody. Tento projekt dosáhne více než 80% obnovy membránových zdrojů, což vede k přechodu průmyslu RO k nízkému uhlíku -, udržitelný rozvoj.