Zgodovina razvoja membran za reverzno osmozo RO

1. Odkritje osmoze in uvedba koncepta polprepustnih membran
Razvoj tehnologije membrane reverzne osmoze je neločljiv od razumevanja naravnega pojava "osmoze". Leta 1827 je med preučevanjem rastlinskih celic francoski fiziolog Dutrochet najprej opazil migracijo molekul vode skozi celične membrane iz nizke - koncentracijske raztopine do visoke - koncentracijske raztopine. Ta pojav, opredeljen kot "osmoza", je osredotočen na obstoj selektivno prepustne strukture, tako -, imenovanega "polpreminska membrana." Čeprav gradiva umetnih membran zaenkrat še ni bila razvita, so Dutrochetovi poskusi zagotovili teoretično osnovo za ločitev membran.

2. Vzpostavitev osmotskega tlačnega termodinamičnega modela

Do konca 19. stoletja je nizozemski fizični kemik Van 't Hoff predlagal znamenito enačbo osmotskega tlaka leta 1886: π=IMRT, kjer je π osmotski tlak, i je topni disociacijski faktor, m je molarna koncentracija, r je plina in t je termodinamična temperatura. Ta enačba je združila pojav osmoze s teorijo kemijske termodinamike in prvič količinsko opredelila gonilno silo membranskih procesov. Delo Van 'T Hoffa velja za pomemben sestavni del termodinamičnih temeljev inženiringa ločevanja membrane in je podlago za ključne parametre pri nadaljnji zasnovi procesa reverzne osmoze.

3. Pojav predhodnih raziskav umetnih membran

V začetku 20. stoletja je nemški učenjak Bechhold prvič poročal leta 1907 o uporabi membran iz celuloznega nitrata za ločitev koloidnih delcev. Te membrane so pokazale določeno stopnjo polprečnosti. Čeprav se je ta tehnologija sprva uporabljala predvsem v analitični kemiji in bioloških poskusih, so te membrane že imele temeljne lastnosti nadzorovane velikosti in toka in veljajo za predhodnik industrializacije membranske tehnologije. Bechholdove membrane so bile pogosto uporabljene v osnovnih poskusih, kot sta ločevanje beljakovin in zadrževanje virusov, ki posredno spodbujajo raziskave in standardizacijo fizikalnih lastnosti membranskega materiala (kot so porazdelitev velikosti por, debelina in strukturna trdnost).

1. Prva uporaba reverzne osmoze
Čeprav je bila osmoza že dolgo opažena in kvalitativno opisana, so znanstveniki odkrili, kako obrniti postopek šele sredi - 20. stoletja. Z uporabo zunanjega tlaka, večjega od osmotskega tlaka na koncentrirani raztopini, se molekule vode migrirajo iz visoke - koncentracijske raztopine na raztopino z nizko koncentracijo. Ta postopek je znan kot reverzna osmoza. Največji izzivi, s katerimi se soočajo pri začetnem razvoju membran za reverzno osmozo, sta bila izbira materiala in zasnova membranske strukture: doseganje zadostne selektivnosti brez žrtvovanja toka.

2. Loeb in Sourirajan -ov asimetrični membranski preboj (1959)
Leta 1959 sta Loeb in Sourirajan z kalifornijske univerze v Los Angelesu razvila prvo industrijsko izvedljivo membrano reverzne osmoze na svetu. Z uporabo fazne inverzijske metode so izdelali celulozno acetatno membrano z izrazito asimetrično strukturo. Površinska plast membrane, približno 0,2 do 0,5 mikrona, ima izjemno visoko selektivnost. Osnovna porozna struktura zagotavlja mehansko podporo in zmanjšuje odpornost na pretok. Ta asimetrična membrana dosega stopnjo zavrnitve soli do 98% in pretok več deset litrov na kvadratni meter na uro, kar postavlja temelje za kasnejše industrijske aplikacije.

3. Ameriški vladni projekt in pilotni obrat UCLA

Ameriški urad za slano vodo je to raziskavo financiral v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja in ustanovil prvo eksperimentalno napravo za razsoljevanje morske vode. Ta sistem je z asimetrično membrano RO ustvaril 14 ton sladke vode na dan. Čeprav je še vedno relativno velik in drag za delovanje, je ta dosežek prvič pokazal, da tehnologija RO ni bila le teoretično izvedljiva, ampak tudi dosegljiva v praktičnem obsegu, kar je spodbudilo praktično uporabo membranskih ločitve pri čiščenju vode.

1. Razvoj plošče - in - okvir in spiralne module - moduli rane
Ker so membranski materiali reverzne osmoze postali bolj stabilni, je optimizacija membranske strukture, ko je komponenta naprave postala ključna za industrijski razvoj. Leta 1969 je DuPont predstavil B - 9 spiralni - membranski element rane. Ta zasnova je omogočila večje membransko območje v omejenem obsegu, kar je znatno izboljšalo zmogljivost obdelave sistema in energetsko učinkovitost. V primerjavi s tradicionalno ploščo - in - strukture okvirjev, moduli membrane spiralno spreminjajo večjo gostoto volumetričnega membranskega območja, nižji padec tlaka in nižje zahteve za vzdrževanje, ki hitro postanejo glavni faktor oblikovanja za industrijske aplikacije RO.

2. hitra širitev mednarodnega trga
Leta 1970 je Toray Industries na Japonskem dokončala prvo komercialno proizvodno linijo komercialne reverzne osmoze, ki je zaznamovala začetek širitve RO tehnologije v Aziji - pacifiški regiji. Podjetje je pioniralo uporabo tehnologije ločevanja membrane pri proizvodnji ultravske vode za elektroniko, koncentracijo hrane in pijač ter ponovno uporabo odpadne vode, kar je spodbudilo hiter napredek pri membranskem materialu in integraciji naprav v celotni regiji.

3. Preverjanje ameriške vojaške aplikacije: Mobilne enote RO
Od leta 1965 do 1968 je ameriška mornarica sodelovala z Loebovo ekipo, da bi razvila enoto za razsoljevanje mobilne morske vode (MSDU). Ta enota bi lahko bila nameščena na ladjah, predhodnih bazah in v ostrih okoljih, da bi razsodila morsko vodo. Ta projekt ni le pokazal izvedljivosti sistemov RO v vojaških in katastrofalnih nastavitvah, ampak je olajšal tudi kasnejšo namestitev enot RO v pristaniščih, mestih s pomanjkanjem vode in na odzivnih otokih.

1. Glavni preboj v strukturi membranskega materiala: kompozitna membrana TFC
Leta 1980 je Cadotte predlagala aromatično poliamidno kompozitno membrano (tanko film kompozit, TFC), izdelana z medfazno polimerizacijo. Ta membrana je sestavljena iz treh plasti: netkana podpornica tkanine, porozni vmesni sloj polisulfona in ultra - tanki poliamidni površinski sloj. Površinska plast poliamida, debela le nekaj sto nanometrov, ima odlično zavrnitev soli. Ta struktura ne samo bistveno izboljša membranski tok in selektivnost, ampak omogoča tudi prilagoditev zmogljivosti membrane specifičnim vodnim virom, kar postane standardna arhitektura za poznejše membranske materiale RO.

2. Komercializacija: Široka uporaba serije Dow Filmtec ™
Leta 1982 je Dow Chemical Company predstavil blagovno znamko "Filmtec ™" RO membran, vključno z reprezentativnimi modeli, kot sta BW30 in SW30. Te membrane, za katere so značilne visoke odpornosti na odmik, visok tok in stabilno poslovno življenje, so se pogosto uporabljale v panogah, kot so komunalna oskrba z vodo, razsoljevanje morske vode, elektronika in polprevodniki, hrana in pijače ter kemikalije, ki vzpostavljajo prevladujoči položaj membranov TFC na trgu.

3. Veliki - predstavitveni projekt lestvice: Orange County Water Factory 21
Leta 1990 je vodna uprava Orange County v Kaliforniji v ZDA zgradila tovarno vode 21, ki uporablja sistem RO za zagotavljanje visoko - kakovostne čistine za komunalno odpadno vodo. Ta sistem nato opravi napredno obdelavo z UV sevanjem in aktiviranim ogljikom, kar ima za posledico posredno pitje reciklirane vode. To je zaznamovalo prvi uspešen svet velike - lestvice "Pitje - reciklirane vode", ki je označil pomemben prehod tehnologije RO iz industrijske čiščenja vode v pitno varnost vode.

1. Anti - Fouling in razvoj nano - spremenjene membrane
Membranska preliv je bila vedno glavna ovira dolgega - terminske delovanja tehnologije RO. Da bi izboljšali membranske zmogljivosti za protivariranje, raziskovalci v membransko površino uvajajo nanomateriale, kot so Tio₂, ZnO in Ag. Ti materiali dajejo proti - lastnosti biološke adhezije in fotokatalitično razgradnjo organske snovi, kar znatno podaljša delovno življenjsko dobo membrane. Na primer, Nanyang Technološka univerza v Singapurju je razvila membrano TFC s fotokatalitičnim selfom - čiščenja skozi - situ tio₂ doping.

2. znatno zmanjšana poraba energije za razsoljevanje: PX naprave za obnovo energije
PX tlačni izmenjevalec (PX), ki ga sproži Energy Recovery Inc., si povrne in prenaša preostali tlak iz slanice na dovodno stran, kar zmanjša specifično porabo energije RO sistemov iz prejšnjih 6 - 8 kWh/m³ na 2-3 kWh/m³. Ta naprava se široko uporablja pri obsežnih projektih razsoljevanja v državah, kot sta Izrael in Savdska Arabija, zaradi česar je RO osrednja tehnologija za razsoljevanje po vsem svetu.

3. Avtomatizacija in inteligentni krmilni sistemi
Veliki - SCALE RO sistemi so opremljeni z avtomatizirano upravljavsko platformo, ki temelji na PLC (programabilni logični nadzor) in sistemu SCADA, ki omogočajo resnični - zbiranje časa in nadzor podatkov, kot so vplivna kakovost, membranski tok, diferenčni tlak in indeks onesnaženja. Nekateri sistemi vključujejo ai - algoritme za napovedovanje trendov membrane in vnaprej sprožiti opozorila o čiščenju, kar omogoča "brez nadzora" operacije.

1. Raziskovalni napredek membran grafenskega oksida (GO)
Ekipa GEIM (Univerza v Manchestru) je leta 2013 začela raziskovati molekularne lastnosti membran GO. Membrane GO imajo en sam - plast, dve - dimenzijski strukturi in lahko doseže tokove 10 do 100 -krat večje od tradicionalnih membranov. Prav tako lahko dosežejo natančne ločitve s prilagajanjem razmika medplasti. Potencialne aplikacije vključujejo razsoljevanje morske vode, ločevanje težkih kovin in visoko - vrednost - Dodana obdelava rešitve. Čeprav še niso v celoti komercializirani, veljajo za ključnega kandidata za naslednjo generacijo visokih - membranskih gradiv.

2. ai - podprta RO -sistem za optimizacijo in načrtovanje sistema
Številni industrijski sistemi RO z razširjenim sprejemanjem podatkovnih znanosti vključujejo algoritme AI, kot so nevronska omrežja in modeli strojnega učenja, za inteligentno prepoznavanje in optimizacijo membranskih vrst, delovne parametre in trende porabe energije.

3. Ponovna uporaba odpadnih membran in pilotov krožnega gospodarstva
"Projekt Rewamema" EU kemično čisti in ponovno obdeljuje odpadne membrane, ki jih pretvori v nizke - tlačne nanofiltracijske membrane ali module MBR membrane za sisteme za predhodno obdelavo odpadne vode ali namakalno vodo. Ta projekt dosega več kot 80% okrevanje membranskih virov, s čimer vodi prehod industrije RO v nizko - ogljik, trajnostni razvoj.