История развития мембран обратного осмоса RO

1. Открытие осмоса и введение концепции полупроницаемых мембран
Развитие технологии мембраны обратного осмоса неотделимо от понимания природного явления «осмоса». В 1827 году, изучая растительные клетки, французский физиолог Датрокет сначала наблюдал миграцию молекул воды через клеточные мембраны из низкого - концентрационного раствора в высокий - раствор концентрации. Это явление, определяемое как «осмос», сосредоточено на существовании селективно проницаемой структуры, SO - называется «полупроницаемая мембрана». Хотя в настоящее время материалы искусственной мембраны еще не были разработаны, эксперименты Dutrochet предоставили теоретическую основу для разделения мембраны.

2. Создание термодинамической модели осмотического давления

К концу 19 -го века голландский физический химик Van 'T Hoff предложил знаменитое уравнение осмотического давления в 1886 году: π=IMRT, где π - осмотическое давление, I является фактором диссоциации растворенного вещества, M является молярной концентрацией, R является константом газа, а T - термодинамическая температура. Это уравнение объединило явление осмоса с теорией химической термодинамики и впервые определила определение движущей силы мембранных процессов. Работа Van 'T Hoff считается важным компонентом термодинамических фундаментов инженерии отделения мембраны и обеспечивает основу для ключевых параметров в последующей конструкции процесса обратного осмоса.

3. Появление предварительных исследований искусственных мембран

В начале 20 -го века немецкий ученый Беххолд впервые сообщил в 1907 году использование мембран, сделанных из нитрата целлюлозы для разделения коллоидных частиц. Эти мембраны демонстрировали определенную степень полупроизводительности. Хотя эта технология первоначально использовалась в основном в аналитических химии и биологических экспериментах, эти мембраны уже обладали фундаментальными свойствами контролируемых размер пор и потока пор и считаются предшественником индустриализации мембранной технологии. Мембраны Беххолда широко использовались в основных экспериментах, таких как разделение белка и удержание вируса, косвенно способствуя исследованию и стандартизации физических свойств мембранного материала (таких как распределение по размерам, толщина и структурная сила).

1. Первое применение обратного осмоса
Хотя осмос уже давно наблюдался и качественно описан, только в середине - 20 -го века ученые обнаружили, как изменить процесс. Применяя внешнее давление, превышающее осмотическое давление на концентрированный раствор, молекулы воды мигрируют из высокого - концентрационного раствора в раствор с низкой концентрацией. Этот процесс известен как обратный осмос. Наибольшие проблемы, с которыми сталкиваются в начальном развитии мембран обратного осмоса, были выбор материалов и конструкция мембранной структуры: достижение достаточной селективности без жертвы потока.

2. Асимметричный прорыв Мембраны Лоэба и Сурираджана (1959)
В 1959 году Loeb и Sourirajan из Калифорнийского университета в Лос -Анджелесе разработали первую в мире промышленно жизнеспособную мембрану обратного осмоса. Используя метод фазовой инверсии, они изготовили ацетатную мембрану целлюлозы с отличительной асимметричной структурой. Поверхностный слой мембраны, толщиной приблизительно от 0,2 до 0,5 микрон, демонстрирует чрезвычайно высокую селективность. Базовая пористая структура обеспечивает механическую поддержку и снижает сопротивление потоку. Эта асимметричная мембрана достигает скорости отторжения соли до 98% и потока десятков литров на квадратный метр в час, закладывая основу для последующих промышленных применений.

3. Правительственный проект США и пилотная установка UCLA

Управление по солевой воде США финансировало это исследование в конце 1950 -х годов и создал первый экспериментальный завод по опреснения морской воды. Эта система, использующая асимметричную мембрану RO, производила 14 тонн пресной воды в день. Несмотря на то, что это достижение все еще относительно большим и дорогостоящим, и впервые продемонстрировало, что технология RO была не только теоретически осуществимой, но и достижимой в практическом масштабе, вводя в практическое применение мембранного разделения при обработке воды.

1. Разработка пластины - и - кадра и спираль - модули ране
По мере того, как мембранные материалы обратного осмоса стали более стабильными, оптимизация мембранной структуры в качестве компонента устройства стала решающей для промышленного развития. В 1969 году DuPont представил B -- 9 Spiral - Мембранный элемент раны. Эта конструкция позволила получить большую площадь мембраны в пределах ограниченного объема, значительно улучшая способность обработки системы и энергоэффективность. По сравнению с традиционной пластиной - и - структур кадров, модули спиральных мембраны обеспечивают более высокую объемную плотность мембраны, снижение давления и более низкие требования к обслуживанию, быстро становясь основным форм-фактором для промышленных применений RO.

2. Быстрое расширение международного рынка
В 1970 году Toray Industries, Япония, завершила первую коммерческую коммерческую линию мембраны мембраны обратного осмоса, отмечая начало расширения технологии RO в Азии - Тихоокеанском регионе. Компания впервые применила применение технологии отделения мембран при производстве ультрапирной воды для электроники, концентрации пищевых продуктов и напитков, а также повторного использования сточных вод, что приводит к быстрому достижениям в характеристиках мембранных материалов и интеграции устройств по всему региону.

3. Проверка военных приложений США: мобильные RO подразделения
С 1965 по 1968 год военно -морской флот США сотрудничал с командой Loeb для разработки мобильного подразделения опреснения морской воды (MSDU). Это подразделение может быть развернуто на кораблях, на прямых базах и в суровых условиях для опреснения морской воды. Этот проект не только продемонстрировал выполнимость систем RO в военных условиях и условиях оказания помощи стихийным бедствием, но и способствовал последующему развертыванию подразделений RO в портах, городах с нехваткой воды и отдаленными островами.

1. Основной прорыв в структуре мембранного материала: композитная мембрана TFC
В 1980 году Cadotte предложил ароматическую полиамидную композитную мембрану (тонкопленок композит, TFC), изготовленную с использованием межфазной полимеризации. Эта мембрана состоит из трех слоев: нетканый опорный слой ткани, промежуточный слой с пористым полисульфоном и ультра - тонкий слой поверхности полиамида. Поверхностный слой полиамида, толщина всего несколько сотен нанометров, демонстрирует превосходный отторжение соли. Эта структура не только значительно улучшает поток мембраны и селективность, но также позволяет адаптировать характеристики мембраны к конкретным источникам воды, становясь стандартной архитектурой для последующих мембранных материалов RO.

2. Коммерциализация: широкое применение серии Dow FilmTec ™
В 1982 году Dow Chemical Company запустила бренд RO Membranes "FilmTec ™, включая представительные модели, такие как BW30 и SW30. Эти мембраны, характеризующиеся высоким сопротивлением загрязнения, высоким потоком и стабильным эксплуатационным сроком службы, широко использовались в таких отраслях, как муниципальное водоснабжение, опреснение морской воды, электроника и полупроводники, пищевые продукты и напитки и химические вещества, устанавливая доминирующее положение мембран TFC на рынке.

3. Большой - Демонстрационный проект по шкале: Фабрика водоснабжения округа Ориндж 21
В 1990 году Управление по водоснабжению округа Ориндж в Калифорнии, США, построило водную фабрику 21, которая использует систему RO для обеспечения высокой качественной обработки- для муниципальных сточных вод. Эта система затем подвергается продвинутой обработке ультрафиолетовым излучением и активированным углеродом, что приводит к косвенному употреблению переработанной воды. Это ознаменовало первый в мире успешный в мире крупный - шкала «Speing - рециркулированную воду», отмечая значительный переход технологии RO от промышленной обработки воды к безопасности питьевой воды.

1. Anti - загрязнение и разработка Nano - модифицированных мембран
Мембранное загрязнение всегда было серьезным препятствием для длительного - термина работы технологии RO. Для улучшения мембранных возможностей антипроводной обратики исследователи вводят наноматериалы, такие как Tio₂, Zno и Ag, в поверхность мембраны. Эти материалы придают анти - свойства биологической адгезии и фотокаталитическое разложение органического вещества, значительно продлевая операционный срок службы мембраны. Например, Nanyang Technological University в Сингапуре разработал мембрану TFC с фотокаталитическим самооценкой - возможностей очистки через - situ tio₂ допинг.

2. Значительно снижение потребления энергии опреснения: устройства рекулуда энергии PX
Обменник давления PX (PX), запущенный Energy Recovery Inc., восстанавливает и переносит остаточное давление от рассола на сторону на входе, уменьшая конкретное потребление энергии RO-систем из более ранних 6 - 8 кВтч/м³ до 2-3 кВтч/м³. Это устройство широко используется в крупномасштабных проектах опреснения в таких странах, как Израиль и Саудовская Аравия, что делает RO основной технологией опреснения по всему миру.

3. Системы автоматизации и интеллектуального управления
Большие - Scale Systems оснащены автоматизированной платформой управления на основе PLC (программируемое логическое управление) и систему SCADA, что позволяет реальному - сбору времени и управлению такими данными, как качество влияния, поток мембраны, дифференциальное давление и индекс загрязнения. Некоторые системы включают в себя AI - Алгоритмы вспомогательных, чтобы предсказать тенденции загрязнения мембраны и заранее инициировать оповещения о чистке, что позволяет работать «без присмотра».

1. Исследование прогресса на мембранах оксида графена (GO)
Команда GEIM (Университет Манчестера) начала исследовать молекулярные свойства просеивания мембран GO в 2013 году. Мембраны GO имеют один - слой, два - структуру размерных и могут достичь потоков в 10-100 раз выше традиционных мембран. Они также могут достичь точного разделения, регулируя интернет -интервал. Потенциальные приложения включают опреснение морской воды, разделение тяжелых металлов и высокое - value - Добавленная обработка решения. Хотя они еще не полностью коммерциализированы, они считаются ключевым кандидатом на следующее поколение High - материалов для производительности.

2. AI - Помощь RO System Оптимизация и планирование
Благодаря широкому распространению науки о данных, многие промышленные системы RO включают алгоритмы ИИ, такие как нейронные сети и модели машинного обучения, для разумного идентификации и оптимизации типов загрязнения мембран, эксплуатационных параметров и тенденций потребления энергии.

3. Повторное использование отработанных мембран и пилотов циркулярной экономики
«Проект повторного эфира» ЕС химически очищает и перерабатывает отходы RO мембраны, преобразуя их в низкие - Мембраны нанофильтрационных нанофильтрационных нанофильтрации или мембранные модули MBR для предварительной обработки сточных вод или систем повторного использования ирригационной воды. Этот проект достигает более 80% восстановления мембранных ресурсов, что привело к переходу отрасли RO к низкому - углероду, устойчивому развитию.