Sejarah pembangunan membran osmosis RO terbalik

1. Penemuan osmosis dan pengenalan konsep membran semipermeable
Perkembangan teknologi membran osmosis terbalik tidak dapat dipisahkan dari pemahaman fenomena semulajadi "osmosis." Pada tahun 1827, semasa mengkaji sel -sel tumbuhan, ahli fisiologi Perancis Dutrochet mula -mula mengamati penghijrahan molekul air melalui membran sel dari penyelesaian kepekatan rendah - ke penyelesaian kepekatan tinggi -. Fenomena ini, yang ditakrifkan sebagai "osmosis," berpusat pada kewujudan struktur selektif yang selektif, SO - dipanggil "membran semipermeable." Walaupun bahan membran buatan belum dibangunkan pada masa ini, eksperimen Dutrochet menyediakan asas teoritis untuk pemisahan membran.

2. Penubuhan model termodinamik tekanan osmotik

Menjelang akhir abad ke -19, ahli kimia fizikal Belanda van 't hoff mencadangkan persamaan tekanan osmotik yang terkenal pada tahun 1886: π=imrt, di mana π adalah tekanan osmotik, saya adalah faktor pemisahan larut, m adalah kepekatan molar, r adalah gas yang berterusan, dan T adalah suhu gas. Persamaan ini menggabungkan fenomena osmosis dengan teori termodinamik kimia, dan buat kali pertama mengukur daya penggerak proses membran. Kerja Van 'T Hoff dianggap sebagai komponen penting dalam asas -asas termodinamik kejuruteraan pemisahan membran dan menyediakan asas bagi parameter utama dalam reka bentuk proses osmosis terbalik berikutnya.

3. Kemunculan penyelidikan awal mengenai membran buatan

Pada awal abad ke -20, sarjana Jerman Bechhold pertama kali melaporkan pada tahun 1907 penggunaan membran yang diperbuat daripada nitrat selulosa untuk pemisahan zarah koloid. Membran ini mempamerkan tahap semipermeabiliti tertentu. Walaupun teknologi ini pada mulanya digunakan terutamanya dalam kimia analitik dan eksperimen biologi, membran ini sudah memiliki sifat -sifat asas saiz liang dan fluks yang dapat dikawal, dan dianggap sebagai pendahulu kepada perindustrian teknologi membran. Membran Bechhold digunakan secara meluas dalam eksperimen asas seperti pemisahan protein dan pengekalan virus, secara tidak langsung mempromosikan penyelidikan dan penyeragaman sifat fizikal bahan membran (seperti pengedaran saiz liang, ketebalan, dan kekuatan struktur).

1. Permohonan pertama osmosis terbalik
Walaupun osmosis telah lama diperhatikan dan diterangkan secara kualitatif, tidak sampai pertengahan - abad ke -20 yang saintis menemui bagaimana untuk membalikkan proses. Dengan menggunakan tekanan luaran yang lebih besar daripada tekanan osmotik pada larutan pekat, molekul air berhijrah dari penyelesaian kepekatan - yang tinggi kepada penyelesaian penentuan rendah. Proses ini dikenali sebagai osmosis terbalik. Cabaran terbesar yang dihadapi dalam perkembangan awal membran osmosis terbalik adalah pemilihan bahan dan reka bentuk struktur membran: mencapai selektiviti yang mencukupi tanpa mengorbankan fluks.

2. Loeb dan Sourirajan's Asymmetric Breakthrough (1959)
Pada tahun 1959, Loeb dan Sourirajan dari University of California, Los Angeles, membangunkan membran osmosis terbalik yang pertama di dunia. Menggunakan kaedah penyongsangan fasa, mereka membuat membran selulosa asetat dengan struktur asimetrik yang berbeza. Lapisan permukaan membran, kira -kira 0.2 hingga 0.5 mikron tebal, mempamerkan selektiviti yang sangat tinggi. Struktur berliang yang mendasari menyediakan sokongan mekanikal dan mengurangkan rintangan aliran. Membran asimetrik ini mencapai kadar penolakan garam sehingga 98% dan fluks puluhan liter per meter persegi sejam, meletakkan asas bagi aplikasi perindustrian berikutnya.

3. Projek Kerajaan AS dan kilang perintis UCLA

Pejabat Saline Water AS membiayai penyelidikan ini pada akhir 1950 -an dan menubuhkan loji penyahgaraman air laut percubaan pertama. Sistem ini, menggunakan membran RO asimetri, menghasilkan 14 tan air tawar setiap hari. Walaupun masih agak besar dan mahal untuk beroperasi, pencapaian ini menunjukkan untuk pertama kalinya bahawa teknologi RO bukan sahaja secara teorinya boleh dilaksanakan tetapi juga boleh dicapai pada skala praktikal, mengantar penggunaan praktikal pemisahan membran dalam rawatan air.

1. Pembangunan plat - dan - bingkai dan lingkaran - modul membran luka
Sebagai bahan membran osmosis terbalik menjadi lebih stabil, mengoptimumkan struktur membran sebagai komponen peranti menjadi penting untuk pembangunan perindustrian. Pada tahun 1969, DuPont memperkenalkan B - 9 spiral - elemen membran luka. Reka bentuk ini dibenarkan untuk kawasan membran yang lebih besar dalam jumlah yang terhad, meningkatkan kapasiti pemprosesan sistem dan kecekapan tenaga. Berbanding dengan plat tradisional - dan - struktur bingkai, modul membran lingkaran lingkaran menawarkan ketumpatan kawasan membran volumetrik yang lebih tinggi, penurunan tekanan yang lebih rendah, dan keperluan penyelenggaraan yang lebih rendah, dengan cepat menjadi faktor bentuk arus perdana untuk aplikasi perindustrian RO.

2. Perkembangan pesat pasaran antarabangsa
Pada tahun 1970, Toray Industries, Jepun, menyempurnakan barisan pengeluaran membran osmosis yang pertama di Asia, menandakan permulaan pengembangan teknologi RO di rantau Pasifik Asia -. Syarikat itu mempelopori penggunaan teknologi pemisahan membran dalam pengeluaran air ultrapure untuk kepekatan elektronik, makanan dan minuman, dan penggunaan semula air sisa, memacu kemajuan pesat dalam prestasi bahan membran dan integrasi peranti di seluruh rantau ini.

3. Pengesahan Aplikasi Ketenteraan AS: Unit RO Mudah Alih
Dari tahun 1965 hingga 1968, Tentera Laut AS bekerjasama dengan pasukan Loeb untuk membangunkan Unit Penyahgarasan Air Mudah Alih (MSDU). Unit ini boleh digunakan pada kapal, di pangkalan hadapan, dan dalam persekitaran yang keras untuk menghilangkan air laut. Projek ini bukan sahaja menunjukkan kemungkinan sistem RO dalam tetapan bantuan ketenteraan dan bencana tetapi juga memudahkan penggunaan unit RO di pelabuhan, bandar -bandar dengan kekurangan air, dan pulau -pulau terpencil.

1. Terobosan utama dalam struktur bahan membran: membran komposit TFC
Pada tahun 1980, Cadotte mencadangkan membran komposit poliamida aromatik (komposit filem nipis, TFC) yang dibuat menggunakan pempolimeran interfacial. Membran ini terdiri daripada tiga lapisan: lapisan sokongan kain yang tidak ditenun, lapisan perantaraan polysulfone berliang, dan lapisan permukaan poliamida ultra - nipis. Lapisan permukaan poliamida, hanya beberapa ratus nanometer tebal, mempamerkan penolakan garam yang sangat baik. Struktur ini bukan sahaja meningkatkan fluks membran dan selektiviti tetapi juga membolehkan untuk menyesuaikan prestasi membran ke sumber air tertentu, menjadi seni bina standard untuk bahan membran RO berikutnya.

2. Pengkomersialan: Aplikasi Siri Dow Filmtec ™ yang meluas
Pada tahun 1982, Dow Chemical Company melancarkan "Filmtec ™" jenama membran RO, termasuk model wakil seperti BW30 dan SW30. Membran ini, yang dicirikan oleh rintangan fouling yang tinggi, fluks yang tinggi, dan kehidupan operasi yang stabil, telah digunakan secara meluas dalam industri seperti bekalan air perbandaran, penyahgaraman air laut, elektronik dan semikonduktor, makanan dan minuman, dan bahan kimia, yang mewujudkan kedudukan dominan membran TFC di pasaran.

3. Projek demonstrasi skala besar -: Orange County Water Factory 21
Pada tahun 1990, Pihak Berkuasa Air Orange County di California, Amerika Syarikat, yang dibina Kilang Air 21, yang menggunakan sistem RO untuk menyediakan rawatan kualiti - untuk air sisa perbandaran. Sistem ini kemudian menjalani rawatan lanjutan dengan sinaran UV dan karbon diaktifkan, mengakibatkan minum air kitar semula secara tidak langsung. Ini menandakan skala besar pertama yang berjaya di dunia - "minum - gred air kitar semula", menandakan peralihan penting teknologi RO dari rawatan air perindustrian untuk minum keselamatan air.

1. Anti - fouling dan perkembangan nano - membran yang diubah suai
Membran Fouling sentiasa menjadi penghalang utama kepada operasi jangka panjang - teknologi RO. Untuk meningkatkan keupayaan antifouling membran, penyelidik memperkenalkan nanomaterials seperti TiO₂, ZnO, dan Ag ke permukaan membran. Bahan -bahan ini memberikan ciri -ciri lekatan biologi anti - dan penguraian photocatalytic bahan organik, dengan ketara memanjangkan kehidupan operasi membran. Sebagai contoh, Universiti Teknologi Nanyang di Singapura telah membangunkan membran TFC dengan keupayaan pembersihan photocatalytic - melalui - situ tio₂ doping.

2. Mengurangkan penggunaan tenaga penyahgaraman: Peranti pemulihan tenaga PX
Penukar tekanan PX (PX) yang dilancarkan oleh Energy Recovery Inc. pulih dan memindahkan tekanan sisa dari air garam ke bahagian masuk, mengurangkan penggunaan tenaga spesifik sistem RO dari 6- 8 kWh/m³ hingga 2-3 kWh/m³. Peranti ini digunakan secara meluas dalam projek penyahgaraman berskala besar di negara-negara seperti Israel dan Arab Saudi, menjadikan RO sebuah teknologi penyahgaraman arus perdana di seluruh dunia.

3. Sistem Kawalan Automasi dan Pintar
Sistem skala RO besar - dilengkapi dengan platform pengurusan automatik berdasarkan PLC (kawalan logik yang boleh diprogramkan) dan sistem SCADA, membolehkan pengumpulan masa sebenar - dan kawalan data seperti kualiti influen, fluks membran, tekanan pembezaan, dan indeks pencemaran. Sesetengah sistem menggabungkan algoritma dibantu AI - untuk meramalkan trend fouling membran dan memulakan peringatan pembersihan terlebih dahulu, membolehkan operasi "tanpa pengawasan".

1. Kemajuan penyelidikan pada membran graphene oksida (GO)
Pasukan GEIM (University of Manchester) mula meneroka sifat -sifat penyebaran molekul membran GO pada tahun 2013. Membran GO mempunyai satu lapisan -, dua - struktur dimensi dan dapat mencapai fluks 10 hingga 100 kali lebih tinggi daripada membran tradisional. Mereka juga boleh mencapai pemisahan yang tepat dengan menyesuaikan jarak interlayer. Aplikasi yang berpotensi termasuk penyahgaraman air laut, pemisahan logam berat, dan tinggi - nilai - Rawatan penyelesaian tambahan. Walaupun belum dikomersialkan sepenuhnya, mereka dianggap sebagai calon utama untuk generasi akan datang bahan membran prestasi tinggi -.

2. Ai - pengoptimuman sistem RO dibantu dan penjadualan
Dengan penggunaan sains data yang meluas, banyak sistem RO perindustrian menggabungkan algoritma AI, seperti rangkaian saraf dan model pembelajaran mesin, untuk mengenal pasti dan mengoptimumkan jenis fouling membran, parameter operasi, dan trend penggunaan tenaga.

3. Penggunaan semula membran sisa dan juruterbang ekonomi pekeliling
"Projek Rewamem" EU membersihkan dan memproses semula membazir membran RO, menukarnya ke dalam membran nanofiltrasi tekanan rendah - tekanan nanofiltrasi atau modul membran MBR untuk prapreatment air sisa atau sistem penggunaan semula air pengairan. Projek ini mencapai lebih daripada 80% pemulihan sumber membran, memacu peralihan industri RO ke arah rendah - karbon, pembangunan lestari.