RO pöördosmoosi membraanide arengu ajalugu

1. Osmoosi avastamine ja poolitatavate membraanide kontseptsiooni tutvustamine
Pöördosmoosi membraanitehnoloogia areng on lahutamatu "osmoosi" loodusnähtuse mõistmisest. Aastal 1827, kui ta taimerakke uurides, täheldas prantsuse füsioloog Dutrochet kõigepealt veemolekulide migratsiooni läbi rakumembraanide madalast - kontsentratsioonilahusest kõrgele - kontsentratsioonilahusele. See nähtus, mis on määratletud kui "osmoos", on keskendunud selektiivselt läbilaskva struktuuri olemasolule, SO -, mida nimetatakse "poolhaaval membraaniks". Ehkki kunstlikke membraanimaterjale polnud praegu veel välja töötatud, pakkusid Dutrocheti katsed membraani eraldamise teoreetilist alust.

2. Osmootse rõhu termodünaamilise mudeli loomine

19. sajandi lõpuks pakkus Hollandi füüsiline keemik Van 't Hoff välja kuulsa osmootse rõhuvõrrandi 1886. aastal: π=imrt, kus π on osmootiline rõhk, I on lahustunud dissotsiatsioonifaktor, m on molaarkontsentratsioon, r on gaasi konstant ja t on termodünaamiline temperatuur. See võrrand ühendas osmoosi nähtuse keemilise termodünaamika teooriaga ja kvantifitseeris esmakordselt membraaniprotsesside edasiviiv jõud. Van 'T hoffi tööd peetakse membraanide eraldamise inseneri termodünaamiliste aluste oluliseks komponendiks ja see andis aluse järgneva pöördosmoosi protsessi kujundamisel peamiste parameetrite jaoks.

3. kunstlike membraanide esialgsete uuringute tekkimine

20. sajandi alguses teatas Saksa teadlane Bechhold 1907. aastal tselluloosnitraadist valmistatud membraanide kasutamisest kolloidsete osakeste eraldamiseks. Nendel membraanidel oli teatav poolsuunaline. Ehkki seda tehnoloogiat kasutati algselt peamiselt analüütiliste keemia ja bioloogiliste katsete korral, olid need membraanid juba kontrollitava pooride suuruse ja voo põhiomadused ning neid peetakse membraanitehnoloogia industrialiseerimise eelkäijaks. Beholdholdi membraane kasutati laialdaselt sellistes põhikatsetes nagu valkude eraldamine ja viirusepeetus, edendades kaudselt membraani materjali füüsikaliste omaduste uurimist ja standardimist (näiteks pooride suuruse jaotus, paksus ja struktuurne tugevus).

1. pöördosmoosi esimene rakendamine
Ehkki osmoosi oli juba pikka aega täheldatud ja kvalitatiivselt kirjeldatud, avastasid teadlased alles 20. sajandi - keskpaigas, kuidas protsessi ümber pöörata. Rakendades kontsentreeritud lahusele osmootsest rõhust suurem rõhu, rändavad veemolekulid kõrgelt - kontsentratsioonilahusest madala kontsentratsioonilahuse juurde. Seda protsessi nimetatakse pöördosmoosiks. Suurimad väljakutsed, millega vastupidiste osmoosimembraanide esialgses arengus silmitsi seisid, olid materiaalse valiku ja membraani struktuuri kujundamine: piisava selektiivsuse saavutamine ilma voogu ohverdamata.

2. Loeb ja Sourrajani asümmeetriline membraan läbimurre (1959)
1959. aastal töötasid Los Angelese California ülikooli Loeb ja Sourrajan välja maailma esimese tööstuslikult elujõulise pöördosmoosi membraani. Faasi inversioonimeetodi abil valmistasid nad selge asümmeetrilise struktuuriga tselluloosatsetaatmembraani. Membraani pinnakiht, umbes 0,2–0,5 mikronit, on äärmiselt kõrge selektiivsus. Selle aluseks olev poorne struktuur tagab mehaanilise tuge ja vähendab voolutakistust. See asümmeetriline membraan saavutab soola tagasilükkamise kiiruse kuni 98% ja kümnete liitrite voolu voolu ruutmeetri kohta tunnis, pannes aluse hilisematele tööstuslikele rakendustele.

3. USA valitsuse projekt ja UCLA pilootide tehas

USA soolaveekogu büroo rahastas seda uuringut 1950ndate lõpus ja asutas esimese eksperimentaalse merevee magestamise tehase. See süsteem, kasutades asümmeetrilist RO membraani, tootis päevas 14 tonni magevett. Ehkki see saavutus on endiselt suhteliselt suur ja kulukas, näitas see saavutus esimest korda, et RO -tehnoloogia ei olnud mitte ainult teoreetiliselt teostatav, vaid ka praktilisel skaalal saavutatav, käivitades membraanide eraldamise praktilise rakendamise veepuhastuses.

1. Plaadi - ja - raami arendamine ja spiraal - haavamembraanimoodulid
Kuna pöördosmoosi membraanmaterjalid muutusid stabiilsemaks, muutus membraani struktuuri optimeerimine seadme komponendina tööstusliku arengu jaoks ülioluliseks. 1969. aastal tutvustas DuPont b - 9 spiraalset - haavamembraani elementi. See disain võimaldas suuremat membraanipinda piiratud mahu piires, parandades märkimisväärselt süsteemi töötlemise mahtu ja energiatõhusust. Võrreldes traditsioonilise plaadiga - ja - raamistruktuurid, pakuvad spiraal-haavamembraanimoodulid suuremat mahulist membraani pindala tihedust, madalama rõhu langust ja madalamaid hooldusnõudeid, muutudes kiiresti RO tööstuslike rakenduste tavavormide teguriks.

2. rahvusvahelise turu kiire laienemine
1970. aastal lõpetas Jaapanis Toray Industries Aasia esimese kaubandusliku pöördosmoosi membraani tootmisliini, tähistades RO tehnoloogia laienemise algust Aasias - Vaikse ookeani piirkonnas. Ettevõte oli membraanide eraldamistehnoloogia rakendamine ultrapuurvee tootmisel elektroonika, toidu- ja jookide kontsentratsiooniks ning reovee taaskasutamiseks, juhtides membraani materjali jõudluse kiireid edusamme ja seadmete integreerimist kogu piirkonnas.

3. USA sõjaväe rakenduste kontrollimine: mobiilsed RO ühikud
Aastatel 1965–1968 tegi USA merevägi koostööd Loebi meeskonnaga, et arendada mobiilset merevee magestamisüksust (MSDU). Seda seadet võiks kasutada laevadel, alustel ja karmides keskkondades, et magestada merevesi. See projekt mitte ainult ei näidanud RO süsteemide teostatavust sõjaväe- ja katastroofiabi keskkonnas, vaid hõlbustas ka RO -ühikute järgnevat kasutuselevõttu sadamates, veepuudusega linnades ja äärepoolsetes saartel.

1. peamine läbimurre membraani materjali struktuuris: TFC komposiitmembraan
1980. aastal pakkus Cadotte välja aromaatse polüamiidi komposiitmembraani (õhuke kile komposiit, TFC), mis oli valmistatud liidese polümerisatsiooni abil. See membraan koosneb kolmest kihist: mittekootud kanga tugikiht, poorne polüsulfooni vahekiht ja ultra - õhuke polüamiidi pinnakiht. Polüamiidi pinnakiht, mis on paks vaid paarsada nanomeetrit, on suurepärane soola tagasilükkamine. See struktuur mitte ainult ei paranda märkimisväärselt membraani voogu ja selektiivsust, vaid võimaldab ka membraani jõudluse kohandada konkreetsetele veeallikatele, saades järgnevate RO -membraanmaterjalide standardseks arhitektuuriks.

2. Kommertsialiseerimine: Dow FilmTec ™ sarja laialt levinud rakendamine
1982. aastal käivitas Dow Chemical Company RO -membraanide kaubamärgi "FilmTec ™", sealhulgas esindusmudelid nagu BW30 ja SW30. Neid membraane, mida iseloomustab kõrge saastumiskindlus, kõrge voog ja stabiilne tööelu, on laialdaselt kasutatud sellistes tööstusharudes nagu munitsipaalveevarustus, merevee magestamine, elektroonika ja pooljuhid, toidud ja joogid ning kemikaalid, mis loovad turul TFC membraanide domineeriva positsiooni.

3. suur - skaala demonstratsiooniprojekt: Orange County veehas 21
1990. aastal ehitas USA -s Californias asuv Orange County veeamet 21 veevabriku 21, mis kasutab RO -süsteemi kõrge - kvaliteetse töötlemise tagamiseks munitsipaalreovee jaoks. Seejärel läbib see süsteem kaugelearenenud töötlemise UV -kiirguse ja aktiveeritud süsinikuga, mille tulemuseks on ringlussevõetud vee kaudne joomine. See tähistas maailma esimest edukat suurt - skaala "Joomine - klassi ringlussevõetud vesi", mis tähistab RO -tehnoloogia olulist üleminekut tööstuslikust veetöötlusest joogivee turvalisusele.

1. anti - saastumine ja nano - modifitseeritud membraanide arendamine
Membraani saamine on alati olnud RO -tehnoloogia terminitoimingu pikka - peamine takistus. Membraanivastaste võimete parandamiseks tutvustavad teadlased membraani pinnale selliseid nanomaterjale nagu Tio₂, ZnO ja Ag. Need materjalid annavad anti - bioloogilisi adhesiooniomadusi ja orgaaniliste ainete fotokatalüütilist lagunemist, laiendades märkimisväärselt membraani tööelu. Näiteks on Singapuri Nanyangi tehnoloogiline ülikool välja töötanud TFC -membraani, millel on fotokatalüütiline enese - puhastusvõimalused läbi - situat, mis on doping.

2. Magestamise energiatarbimine vähendas märkimisväärselt: PX energia taastamise seadmed
Energy Recovery Inc.-i käivitatud PX-rõhuvahetaja (PX) taastab ja edastab jääkrõhu soolveest sisselaske küljele, vähendades RO-süsteemide spetsiifilist energiatarbimist varasemalt 6 - 8 kWh/m³ kuni 2-3 kWh/m³. Seda seadet kasutatakse laialdaselt suuremahulistes magestamisprojektides sellistes riikides nagu Iisrael ja Saudi Araabia, mis teeb Ro A peavoolu magestamise tehnoloogiaks kogu maailmas.

3. automatiseerimine ja intelligentsed juhtimissüsteemid
Suured - skaala RO süsteemid on varustatud automatiseeritud haldusplatvormiga, mis põhineb PLC -l (programmeeritav loogikajuhtimine) ja SCADA süsteem, mis võimaldab reaalset - ajakogumist ja andmete juhtimist, näiteks sissemõeldud kvaliteet, membraani voo, diferentsiaalrõhk ja saastumisindeks. Mõnes süsteemis on AI - abistatavad algoritmid, et ennustada membraani saastumise suundumusi ja algatada eelnevalt puhastamise teateid, võimaldades toimingut "järelevalveta".

1. Grafeenoksiidi (GO) membraanide uurimistöö areng
GEIM -i meeskond (Manchesteri ülikool) hakkas 2013. aastal uurima GO -membraanide molekulaarseid sõelumisomadusi. GO -membraanidel on üks - kiht, kaks - mõõtmete struktuuri ja suudab saavutada voogu 10 kuni 100 korda kõrgemad kui traditsioonilised. Samuti saavad nad vahekivi vahekaugust kohandada täpse eraldamise. Võimalike rakenduste hulka kuuluvad merevee magestamine, raskemetallide eraldamine ja kõrge - väärtus - lisatud lahendusravi. Ehkki see pole veel täielikult turustatud, peetakse neid järgmise põlvkonna kõrge - jõudlusmembraanmaterjalide võtmekandidaadiks.

2. ai - abistatud RO süsteemi optimeerimine ja ajakava koostamine
Andmeteaduste laialdase kasutuselevõtuga hõlmavad paljud tööstuslikud RO -süsteemid AI -algoritme, näiteks närvivõrke ja masinõppe mudeleid, et intelligentselt tuvastada ja optimeerida membraani saastumistüüpe, tööparameetreid ja energiatarbimise suundumusi.

3. jäätmemembraanide ja ringmajanduse pilootide taaskasutamine
ELi "Rewamemi projekt" puhastab ja töötleb ümbertöötlemist RO -membraanid, muutes need madalaks - rõhu nanofiltratsioonimembraanide või MBR -membraanimooduliteks reovee eeltöötluse või niisutamisvee taaskasutamiseks. See projekt saavutab üle 80% membraaniressursside taastamise, põhjustades RO tööstuse üleminekut madala - süsiniku poole, säästva arengu poole.