Istoria dezvoltării membranelor de osmoză inversă

1. Descoperirea osmozei și introducerea conceptului de membrane semipermeabile
Dezvoltarea tehnologiei membranei de osmoză inversă este inseparabilă de înțelegerea fenomenului natural al „osmozei”. În 1827, în timp ce studia celulele vegetale, fiziologul francez Dutrochet a observat pentru prima dată migrația moleculelor de apă prin membranele celulare dintr -o soluție de concentrare scăzută - la o soluție de concentrare ridicată -. Acest fenomen, definit ca „osmoză”, este centrat pe existența unei structuri permeabile selectiv, SO - numită „membrană semipermeabilă”. Deși materialele cu membrană artificială nu au fost încă dezvoltate în acest moment, experimentele Dutrochet au oferit baza teoretică pentru separarea membranei.

2. Stabilirea modelului termodinamic de presiune osmotică

Până la sfârșitul secolului X Această ecuație a combinat fenomenul osmozei cu teoria termodinamicii chimice și a cuantificat pentru prima dată forța motrice a proceselor de membrană. Lucrarea lui Van 'T Hoff este considerată o componentă importantă a fundamentelor termodinamice ale ingineriei de separare a membranei și a oferit o bază pentru parametrii cheie în proiectarea procesului de osmoză inversă ulterioară.

3. Apariția cercetărilor preliminare asupra membranelor artificiale

La începutul secolului XX, savantul german Bechhold a raportat pentru prima dată în 1907 utilizarea membranelor făcute din nitrat de celuloză pentru separarea particulelor coloidale. Aceste membrane au prezentat un anumit grad de semipermeabilitate. Deși această tehnologie a fost utilizată inițial în principal în chimia analitică și în experimentele biologice, aceste membrane dețineau deja proprietățile fundamentale ale dimensiunii și fluxului de pori controlabili și sunt considerate precursorul industrializării tehnologiei membranei. Membranele lui Bechhold au fost utilizate pe scară largă în experimente de bază, cum ar fi separarea proteinelor și retenția virusului, promovând indirect cercetarea și standardizarea proprietăților fizice ale materialelor de membrană (cum ar fi distribuția mărimii porilor, grosimea și rezistența structurală).

1. Prima aplicație de osmoză inversă
Deși osmoza a fost observată de mult timp și descrisă calitativ, abia în mijlocul - secolul XX, oamenii de știință au descoperit cum să inverseze procesul. Prin aplicarea unei presiuni externe mai mari decât presiunea osmotică asupra soluției concentrate, moleculele de apă migrează dintr-o soluție de concentrare ridicată - la o soluție de concentrație scăzută. Acest proces este cunoscut sub numele de osmoză inversă. Cele mai mari provocări cu care se confruntă dezvoltarea inițială a membranelor de osmoză inversă au fost selecția materialelor și proiectarea structurii membranei: realizarea unei selectivități suficiente fără a sacrifica fluxul.

2.. Breakthroughththhrough (1959) a membranei asimetrice a lui Loeb și Sourrajan (1959)
În 1959, Loeb și Sourrajan de la Universitatea din California, Los Angeles, au dezvoltat prima membrană de osmoză inversă viabilă din lume. Folosind o metodă de inversare a fazelor, au fabricat o membrană de acetat de celuloză cu o structură asimetrică distinctă. Stratul de suprafață al membranei, cu o grosime de aproximativ 0,2 până la 0,5 microni, prezintă o selectivitate extrem de mare. Structura poroasă de bază oferă suport mecanic și reduce rezistența la flux. Această membrană asimetrică atinge o rată de respingere a sării de până la 98% și un flux de zeci de litri pe metru pătrat pe oră, punând baza pentru aplicații industriale ulterioare.

3. Proiectul guvernului american și fabrica pilot UCLA

Biroul american de apă salină a finanțat această cercetare la sfârșitul anilor 1950 și a înființat prima fabrică de desalinizare experimentală a apei de mare. Acest sistem, folosind o membrană RO asimetrică, a produs 14 tone de apă dulce pe zi. Deși este încă relativ mare și costisitoare de operat, această realizare a demonstrat pentru prima dată că tehnologia RO nu a fost doar fezabilă teoretică, ci și realizabilă la scară practică, a impus în aplicarea practică a separării membranei în tratarea apei.

1. Dezvoltarea plăcii - și - cadru și spirală - Module de membrană rană
Pe măsură ce materialele cu membrană de osmoză inversă au devenit mai stabile, optimizarea structurii membranei ca componentă a dispozitivului a devenit crucială pentru dezvoltarea industrială. În 1969, DuPont a introdus B - 9 Spiral - elementul membranei de rană. Acest proiect a permis o suprafață de membrană mai mare într -un volum limitat, îmbunătățind semnificativ capacitatea de procesare a sistemului și eficiența energetică. Comparativ cu placa tradițională - și - structurile de cadru, modulele cu membrană în spirală oferă o densitate mai mare a zonei de membrană volumetrică, scăderea presiunii mai mici și cerințele de întreținere mai mici, devenind rapid factorul de formă de formă pentru aplicațiile industriale RO.

2. Extinderea rapidă a pieței internaționale
În 1970, Toray Industries, Japonia, a finalizat prima linie de producție comercială de membrană de osmoză inversă din Asia, marcând începutul expansiunii RO Technology în regiunea Pacificului Asia -. Compania a fost pionieră în aplicarea tehnologiei de separare a membranei în producerea de apă ultrapură pentru electronice, concentrația de alimente și băuturi și reutilizarea apelor uzate, determinând avansuri rapide în performanța materialelor de membrană și integrarea dispozitivului în toată regiunea.

3. Verificarea aplicațiilor militare din SUA: unități Mobile RO
Din 1965 până în 1968, Marina SUA a colaborat cu echipa lui Loeb pentru a dezvolta unitatea de desalinizare a apei de mare mobile (MSDU). Această unitate ar putea fi dislocată pe nave, la baze înainte și în medii dure pentru a desalina apa de mare. Acest proiect nu numai că a demonstrat fezabilitatea sistemelor RO în setările de relief militare și în caz de dezastre, dar a facilitat și implementarea ulterioară a unităților RO în porturi, orașe cu deficiențe de apă și insule periferice.

1.. Descoperire majoră în structura materialului membranei: membrană compozită TFC
În 1980, Cadotte a propus o membrană compusă de poliamidă aromatică (compozit cu film subțire, TFC) fabricat folosind polimerizare interfațială. Această membrană este formată din trei straturi: un strat de susținere a țesăturii nețesute, un strat intermediar poros poros și un strat de suprafață de poliamidă subțire ultra -. Stratul de suprafață de poliamidă, cu doar câteva sute de nanometri grosime, prezintă o respingere excelentă a sării. Această structură nu numai că îmbunătățește în mod semnificativ fluxul de membrană și selectivitatea, dar permite, de asemenea, adaptarea performanței membranei la surse specifice de apă, devenind arhitectura standard pentru materialele cu membrană RO ulterioară.

2. Comercializare: Aplicarea pe scară largă a seriei Dow FilmTec ™
În 1982, Dow Chemical Company a lansat marca „FilmTec ™” a membranelor RO, inclusiv modele reprezentative precum BW30 și SW30. Aceste membrane, caracterizate prin rezistență ridicată, flux ridicat și viață de funcționare stabilă, au fost utilizate pe scară largă în industrii precum alimentarea cu apă municipală, desalinizarea apei de mare, electronice și semiconductori, alimente și băuturi și substanțe chimice, stabilind poziția dominantă a membranelor TFC pe piață.

3. mare - Proiect demonstrativ de scară: Orange County Water Factory 21
În 1990, Orange County Water Authority din California, SUA, a construit fabrica de apă 21, care utilizează un sistem RO pentru a oferi un tratament ridicat de calitate - pentru apele uzate municipale. Acest sistem suferă apoi un tratament avansat cu radiații UV și carbon activat, ceea ce duce la consumul indirect al apei reciclate. Aceasta a marcat prima scară mare de succes -} {{- apă reciclată de grad ”, marcând tranziția semnificativă a tehnologiei RO de la tratarea apei industriale la securitatea apei potabile.

1..
Îndepărtarea membranei a fost întotdeauna un obstacol major în funcționarea termenului lung - a tehnologiei RO. Pentru a îmbunătăți capacitățile de antifoulare a membranei, cercetătorii introduc nanomateriale precum Tio₂, ZnO și Ag pe suprafața membranei. Aceste materiale conferă proprietățile de adeziune biologică anti - și descompunerea fotocatalitică a materiei organice, extinzând semnificativ durata de funcționare a membranei. De exemplu, Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore a dezvoltat o membrană TFC cu capacități fotocatalitice - capabilități de curățare prin - Situ tio₂ doping.

2. Consumul de energie de desalinizare semnificativ redus: dispozitive de recuperare a energiei PX
Schimbătorul de presiune PX (PX) lansat de Energy Recovery Inc. recuperează și transferă presiunea reziduală de la saramură în partea de intrare, reducând consumul specific de energie al sistemelor RO din 6 - 8 kWh/m³ la 2-3 kWh/m³. Acest dispozitiv este utilizat pe scară largă în proiecte de desalinizare pe scară largă în țări precum Israel și Arabia Saudită, ceea ce face ca RO să fie o tehnologie de desalinizare mainstream la nivel mondial.

3. Sisteme de automatizare și control inteligent
Sistemele RO de scară -} sunt echipate cu o platformă de gestionare automată bazată pe un sistem PLC (controlul logic programabil) și un sistem SCADA, permițând colectarea de timp reală - și controlul datelor, cum ar fi calitatea influentă, fluxul de membrană, presiunea diferențială și indicele de contaminare. Unele sisteme încorporează algoritmi asistate de AI - pentru a prezice tendințele de combatere a membranei și pentru a iniția în avans alerte de curățare, permițând funcționarea „nesupravegheată”.

1. Progresul cercetării pe membranele oxidului de grafen (GO)
Echipa Geim (Universitatea din Manchester) a început să exploreze proprietățile moleculare ale membranelor GO în 2013. Membranele GO au o singură structură dimensională -, două - structură dimensională și poate obține fluxuri de 10 până la 100 de ori mai mari decât membranele tradiționale. De asemenea, pot obține separații precise prin reglarea distanției intermediare. Aplicațiile potențiale includ desalinizarea apei de mare, separarea metalelor grele și valoarea ridicată - - Tratament cu soluție adăugată. Deși nu sunt încă complet comercializate, sunt considerați un candidat cheie pentru următoarea generație de materiale cu membrană de performanță ridicată -.

2. AI - Optimizarea și programarea sistemului RO asistat
Odată cu adoptarea pe scară largă a științei datelor, multe sisteme RO industriale încorporează algoritmi AI, cum ar fi rețelele neuronale și modelele de învățare automată, pentru a identifica și optimiza în mod inteligent tipurile de combatere a membranei, parametrii de operare și tendințele consumului de energie.

3. Reutilizarea membranelor deșeuri și a piloților economiei circulare
Proiectul „Rewamem” al UE curăță chimic și reprocesează membranele de deșeuri RO, transformându -le în membrane de nanofiltrare sub presiune scăzute - presiune pentru presiunea de presiune sau sisteme de reutilizare a apei de apă uzată. Acest proiect realizează peste 80% recuperare a resurselor de membrană, ceea ce determină tranziția industriei RO către un nivel scăzut de carbon -, dezvoltare durabilă.