Ro atvirkštinės osmoso membranų vystymosi istorija

1. Osmozės atradimas ir pusiau neigiamų membranų sąvokos įvedimas
Atvirkštinės osmoso membranos technologijos vystymasis neatsiejamas nuo natūralaus „osmoso“ reiškinio supratimo. 1827 m., Tiriant augalų ląsteles, prancūzų fiziologas Dutrochetas pirmiausia pastebėjo vandens molekulių migraciją per ląstelių membranas iš žemo - koncentracijos tirpalo iki aukšto - koncentracijos tirpalo. Šis reiškinys, apibrėžtas kaip „osmosas“, yra sutelktas į selektyviai pralaidžios struktūros egzistavimą, SO -, vadinamą „pusiau neigiama membrana“. Nors dirbtinės membranos medžiagos šiuo metu dar nebuvo sukurtos, Dutrochet eksperimentai pateikė teorinį membranų atskyrimo pagrindą.

2. Osmosinio slėgio termodinaminio modelio nustatymas

Iki XIX amžiaus pabaigos Nyderlandų fizinis chemikas Van 'T Hoffas pasiūlė garsiąją osmosinės slėgio lygtį 1886 m. Ši lygtis sujungė osmoso reiškinį su cheminės termodinamikos teorija ir pirmą kartą įvertino membraninių procesų varomąją jėgą. Van 'T Hoffo darbas laikomas svarbiu membranų atskyrimo inžinerijos termodinaminių pagrindų komponentu ir suteikė pagrindą pagrindiniams parametrams vėlesniam atvirkštinio osmozės proceso projektavimui.

3. Preliminarių dirbtinių membranų tyrimų atsiradimas

XX amžiaus pradžioje vokiečių mokslininkas Bechholdas pirmą kartą pranešė 1907 m., Kai buvo naudojami membranos, pagamintos iš celiuliozės nitrato, kad būtų galima atskirti koloidines daleles. Šios membranos pasižymėjo tam tikru pusiau artumo laipsniu. Nors iš pradžių ši technologija pirmiausia buvo naudojama analitinėje chemijoje ir biologiniuose eksperimentuose, šios membranos jau turėjo pagrindines kontroliuojamo porų dydžio ir srauto savybes ir yra laikomos membranos technologijos industrializacijos pirmtaku. Bechholdo membranos buvo plačiai naudojamos atliekant pagrindinius eksperimentus, tokius kaip baltymų atskyrimas ir viruso susilaikymas, netiesiogiai skatinant membraninių medžiagų fizinių savybių tyrimus ir standartizavimą (pvz., Porų dydžio pasiskirstymą, storis ir struktūrinį stiprumą).

1. Pirmasis atvirkštinės osmoso taikymas
Nors osmosas ilgą laiką buvo stebimas ir kokybiškai aprašytas, mokslininkai nustatė, kaip pakeisti procesą, tik XX amžiaus viduryje. Taikant išorinį slėgį, didesnį už osmosinį slėgį koncentruotam tirpalui, vandens molekulės migruoja iš aukšto - koncentracijos tirpalo į mažos koncentracijos tirpalą. Šis procesas yra žinomas kaip atvirkštinė osmozė. Didžiausi iššūkiai, su kuriais susiduria pradinis atvirkštinės osmoso membranų vystymasis, buvo medžiagų pasirinkimas ir membranos struktūros dizainas: pakankamas selektyvumo pasiekimas neprarandant srauto.

2. Loebo ir Souriirajano asimetrinės membranos proveržis (1959)
1959 m. Los Andžele Loebas ir Sourirajanas iš Kalifornijos universiteto sukūrė pirmąją pramoniškai perspektyvią atvirkštinės osmoso membraną. Naudodami fazės inversijos metodą, jie pagamino celiuliozės acetato membraną su atskira asimetrine struktūra. Membranos paviršiaus sluoksnis, maždaug nuo 0,2 iki 0,5 mikronų storio, pasižymi ypač dideliu selektyvumu. Pagrindinė porėta struktūra suteikia mechaninę atramą ir sumažina srauto pasipriešinimą. Ši asimetrinė membrana pasiekia druskos atmetimo greitį iki 98% ir dešimčių litrų srauto kvadratiniam metrui per valandą greičiu, padėdamas pamatą vėlesnėms pramoninėms reikmėms.

3. JAV vyriausybės projektas ir UCLA bandomoji gamykla

JAV druskos vandens biuras finansavo šį tyrimą šeštojo dešimtmečio pabaigoje ir įsteigė pirmąją eksperimentinę jūros vandens gėlinimo gamyklą. Ši sistema, naudojant asimetrinę RO membraną, per dieną pagamino 14 tonų gėlo vandens. Nors šis laimėjimas vis dar palyginti dideli ir brangus, šis pasiekimas pirmą kartą parodė, kad RO technologija buvo ne tik teoriškai įmanoma, bet ir pasiekiama praktiniu mastu, įvedant praktinį membranos atskyrimą vandens valyme.

1. Plokštės - ir - rėmo ir spiralės - žaizdos membranos modulių kūrimas
Kai atvirkštinės osmoso membranos medžiagos tapo stabilesnės, optimizuojant membranos struktūrą kaip prietaiso komponentą, tapo lemiamos pramonės plėtrai. 1969 m. „Dupont“ pristatė B - 9 spiralės - žaizdos membranos elementą. Šis dizainas leido didesnei membranos plotui, kurio tūris yra ribotas, žymiai pagerina sistemos apdorojimo pajėgumus ir energijos efektyvumą. Palyginti su tradicine plokštele - ir - rėmo struktūromis, spiralės žudymo membranos moduliai siūlo didesnį tūrinio membranos ploto tankį, mažesnį slėgio kritimą ir mažesnius priežiūros reikalavimus, greitai tapdami pagrindiniu RO pramoninės programų formos faktoriumi.

2. Greitas tarptautinės rinkos plėtra
1970 m. „Toray Industries“, Japonija, baigė pirmąją Azijos komercinę atvirkštinės osmoso membranos gamybos liniją, pažymėdama RO technologijos plėtros Azijoje pradžia - Ramiojo vandenyno regione. Bendrovė pradėjo membranų atskyrimo technologijos taikymą gaminant ultrapiūrį vandenį elektronikai, maisto ir gėrimų koncentracijai bei pakartotinai nuotekų naudojimui, skatinant greitą membranos medžiagų veikimo ir prietaisų integracijos visame regione pažangą.

3. JAV karinės programos patikrinimas: mobilieji RO įrenginiai
1965–1968 m. JAV karinis jūrų laivynas bendradarbiavo su Loebo komanda, kad sukurtų mobilųjį jūros vandens gėlinimo skyrių (MSDU). Šis vienetas galėtų būti dislokuotas laivuose, priekinėmis bazėmis ir atšiaurioje aplinkoje, kad būtų gėlinta jūros vanduo. Šis projektas ne tik parodė RO sistemų įgyvendinamumą karinėse ir pagalbos nelaimėse, bet ir palengvino vėlesnį RO padalinių dislokavimą uostuose, miestuose, kuriuose trūksta vandens ir atokiose salose.

1. Pagrindinis membranos medžiagos struktūros proveržis: TFC kompozicinė membrana
1980 m. „Cadotte“ pasiūlė aromatinę poliamido kompozicinę membraną (ploną plėvelės kompozitą, TFC), pagamintą naudojant tarpfazinę polimerizaciją. Šią membraną sudaro trys sluoksniai: neaustas audinio atraminis sluoksnis, porėtas polisulfono tarpinis sluoksnis ir ultra - plonas poliamido paviršiaus sluoksnis. Poliamido paviršiaus sluoksnis, tik kelių šimtų nanometrų storio, pasižymi puikiu druskos atmetimu. Ši struktūra ne tik žymiai pagerina membranos srautą ir selektyvumą, bet ir leidžia pritaikyti membranos veikimą tam tikriems vandens šaltiniams, tapdama standartine vėlesnių RO membranos medžiagų architektūra.

2. Komercializavimas: plačiai paplitęs „Dow Filmtec ™“ serijos taikymas
1982 m. „Dow Chemical Company“ išleido RO membranų „Filmtec ™“ prekės ženklą, įskaitant reprezentacinius modelius, tokius kaip „BW30“ ir „SW30“. Šios membranos, pasižyminčios dideliu atsparumu, dideliu atsparumu, didelis srautas ir stabilus veikimo laikas, buvo plačiai naudojamos tokiose pramonės šakose kaip komunalinio vandens tiekimas, jūros vandens gėlinimas, elektronika ir puslaidininkiai, maistas ir gėrimai bei chemikalai, nustatantys dominuojančią TFC membranų padėtį rinkoje.

3. Didelis - mastelio demonstravimo projektas: Orange County Water Factory 21
1990 m. Oranžinės apygardos vandens administracija Kalifornijoje, JAV, pastatė 21 vandens gamyklą, kuri naudoja RO sistemą, kad būtų užtikrintas aukštas - savivaldybių nuotekų kokybės gydymas. Tada ši sistema yra pažengęs į priekį ir aktyvuota anglimi, todėl netiesiogiai geriama perdirbto vandens. Tai pažymėjo pirmąjį pasaulyje sėkmingą didelę - skalę „geriama - laipsnio perdirbto vandens“ projektas, pažymėdamas reikšmingą RO technologijos perėjimą nuo pramoninio vandens valymo prie geriamojo vandens saugumo.

1.
Membranos užsiteršimas visada buvo pagrindinė kliūtis ilgajam - terminui „RO Technology“. Siekdami pagerinti membranos antifulio galimybes, tyrėjai į membranos paviršių įveda nanomedžiagas, tokias kaip TiO₂, ZnO ir Ag. Šios medžiagos suteikia anti - biologinės adhezijos savybės ir organinių medžiagų fotokatalitinis skilimas, žymiai prailgindamos membranos veikimo tarnavimo laiką. Pavyzdžiui, Nanyango technologijos universitetas Singapūre sukūrė TFC membraną su fotokatalitiniu aš - valymo galimybėmis per - situ tio₂ doping.

2. Žymiai sumažinta gėlinimo energijos suvartojimas: PX energijos atkūrimo įtaisai
„Energy Recovery Inc.“ paleistas PX slėgio keitiklis (PX) atgauna ir perkelia liekamąjį slėgį iš sūrymo į įleidimo angą, sumažindamas RO sistemų specifinį energijos suvartojimą nuo ankstesnių 6 - 8 kWh/m³ iki 2-3 kWh/m³. Šis prietaisas plačiai naudojamas didelio masto gėlinimo projektuose tokiose šalyse kaip Izraelis ir Saudo Arabija, todėl RO tapo pagrindine gėlinimo technologija visame pasaulyje.

3. Automatizavimo ir intelektualios valdymo sistemos
Didelėje - mastelio sistemose RO sistemose yra automatizuota valdymo platforma, pagrįsta PLC (programuojama loginė valdymas) ir SCADA sistema, įgalinant realų - laiko rinkimą ir tokių duomenų kaip įtakos kokybę, membranos srautą, diferencialinį slėgį ir užteršimo indeksą. Kai kurios sistemos apima AI - algoritmus, kad būtų galima numatyti membranos užsiteršimo tendencijas ir iš anksto inicijuoti valymo įspėjimus, įgalinant „neprižiūrimą“ veikimą.

1. Grafeno oksido (GO) membranų tyrimų eiga
„GeiM“ komanda (Mančesterio universitetas) pradėjo tyrinėti GO membranų molekulines sijojimo savybes 2013 m. GO membranos turi vieną - sluoksnį, du - matmenų struktūrą ir gali pasiekti srautus nuo 10 iki 100 kartų didesnius nei tradicinės membranos. Jie taip pat gali pasiekti tikslų atskyrimą koreguodami tarpsluoksnių tarpus. Potencialūs pritaikymai yra jūros vandens gėlinimas, sunkiųjų metalų atskyrimas ir aukšta - reikšmė - pridėta tirpalo apdorojimas. Nors jie dar nėra visiškai komercializuoti, jie laikomi pagrindiniu kandidatu į naujos kartos aukštos - našumo membranos medžiagas.

2. Ai - padėjo RO sistemos optimizavimui ir planavimui
Plačiai priėmus duomenų mokslą, daugelyje pramoninių RO sistemų yra AI algoritmų, tokių kaip nervų tinklai ir mašinų mokymosi modeliai, kad protingai identifikuotų ir optimizuotų membranų užsiteršimo tipus, eksploatavimo parametrus ir energijos suvartojimo tendencijas.

3. Atliekų membranų ir žiedinės ekonomikos pilotų pakartotinis panaudojimas
ES „Rewamem Project“ chemiškai valo ir perdirba Ro membranas, paverčiant jas žemomis - slėgio nanofiltracijos membranomis arba MBR membranos moduliais nuotekų priešreikimo ar drėkinimo vandens pakartotinio naudojimo sistemoms. Šis projektas pasiekia daugiau nei 80% membranų išteklių atkūrimą, paskatindamas RO pramonės perėjimą prie žemo - anglies, tvarios plėtros.