Història del desenvolupament de les membranes d'osmosi inversa

1. Descobriment de l’osmosi i la introducció del concepte de membranes semipermetrables
El desenvolupament de la tecnologia de membrana d'osmosi inversa és inseparable des de la comprensió del fenomen natural de "osmosi". El 1827, mentre estudiava cèl·lules vegetals, el fisiòleg francès Dutrochet va observar per primera vegada la migració de molècules d’aigua a través de membranes cel·lulars des d’una solució de concentració baixa - a una solució de concentració alta -. Aquest fenomen, definit com a "osmosi", està centrat en l'existència d'una estructura selectiva permeable, la SO - anomenada "membrana semipermeable". Tot i que en aquest moment encara no s’havien desenvolupat materials de membrana artificial, els experiments de Dutrochet van proporcionar la base teòrica per a la separació de membranes.

2. Establiment del model termodinàmic de pressió osmòtica

A finals del segle XIX, el químic físic holandès Van 't hoff va proposar la famosa equació de pressió osmòtica el 1886: π=imrt, on π és la pressió osmòtica, I és el factor de dissociació del solut, m és la concentració molar, r és la constant de gas i T és la temperatura termodinàmica. Aquesta equació va combinar el fenomen de l’osmosi amb la teoria de la termodinàmica química i, per primera vegada, va quantificar la força motriu dels processos de membrana. El treball de Van 'T Hoff es considera un component important dels fonaments termodinàmics de l'enginyeria de separació de membranes i proporciona una base per als paràmetres clau en el posterior disseny del procés d'osmosi inversa.

3. L’emergència de la investigació preliminar sobre membranes artificials

A principis del segle XX, l'erudit alemany Bechhold va informar per primera vegada el 1907 l'ús de membranes fetes de nitrat de cel·lulosa per a la separació de partícules col·loïdals. Aquestes membranes presentaven un cert grau de semipermabilitat. Tot i que aquesta tecnologia es va utilitzar inicialment principalment en química analítica i experiments biològics, aquestes membranes ja posseïen les propietats fonamentals de la mida i el flux de porus controlables, i es consideren precursors de la industrialització de la tecnologia de membrana. Les membranes de Bechhold es van utilitzar àmpliament en experiments bàsics com la separació de proteïnes i la retenció de virus, promovent indirectament la investigació i la normalització de les propietats físiques de material de membrana (com la distribució de la mida del porus, el gruix i la força estructural).

1. La primera aplicació d’osmosi inversa
Tot i que l’osmosi s’havia observat i descrit qualitativament, no va ser fins al segle XX de mig {2 {2} que els científics van descobrir com revertir el procés. Aplicant una pressió externa superior a la pressió osmòtica sobre la solució concentrada, les molècules d’aigua migren d’una solució de concentració - a una solució de baixa concentració. Aquest procés es coneix com a osmosi inversa. Els majors reptes que es van enfrontar en el desenvolupament inicial de les membranes d’osmosi inversa van ser la selecció de materials i el disseny de l’estructura de la membrana: aconseguir una selectivitat suficient sense sacrificar el flux.

2. Loeb i Sourirajan's AsyMètric Membrana Breakthrough (1959)
El 1959, Loeb i Sourirajan de la Universitat de Califòrnia, Los Angeles, van desenvolupar la primera membrana d'osmosi inversa industrialment viable del món. Utilitzant un mètode d'inversió en fase, van fabricar una membrana d'acetat de cel·lulosa amb una estructura asimètrica diferent. La capa superficial de la membrana, aproximadament de 0,2 a 0,5 micres de gruix, presenta una selectivitat extremadament alta. L’estructura porosa subjacent proporciona un suport mecànic i redueix la resistència al flux. Aquesta membrana asimètrica aconsegueix una taxa de rebuig de sal de fins a un 98% i un flux de desenes de litres per metre quadrat per hora, posant la base per a aplicacions industrials posteriors.

3. Projecte governamental dels Estats Units i planta pilot UCLA

L’Oficina d’aigua salina dels Estats Units va finançar aquesta investigació a finals dels anys cinquanta i va establir la primera planta experimental de dessalinització d’aigua de mar. Aquest sistema, que utilitzava una membrana RO asimètrica, va produir 14 tones d’aigua dolça al dia. Tot i que encara és relativament gran i costós d’operar, aquest assoliment va demostrar per primera vegada que la tecnologia RO no només era teòricament factible, sinó que també es pot aconseguir a escala pràctica, que es va presentar en l’aplicació pràctica de la separació de membranes en el tractament de l’aigua.

1. Desenvolupament de la placa - i - fotograma i espiral - Mòduls de membrana de ferides
A mesura que els materials de membrana d’osmosi inversa es van fer més estables, l’optimització de l’estructura de la membrana a mesura que un component del dispositiu es va fer crucial per al desenvolupament industrial. El 1969, DuPont va introduir el B - 9 Espiral - element de membrana de la ferida. Aquest disseny va permetre una àrea de membrana més gran dins d’un volum limitat, millorant significativament la capacitat de processament del sistema i l’eficiència energètica. En comparació amb la placa tradicional - i {- Estructures de fotogrames, els mòduls de membrana en espiral ofereixen una densitat d'àrea de membrana volumètrica més elevada, una baixada de pressió inferior i els requisits de manteniment més baixos, convertint-se ràpidament en el factor de forma principal per a aplicacions industrials RO.

2. Expansió ràpida del mercat internacional
El 1970, Toray Industries, Japó, va completar la primera línia de producció comercial de membrana d'osmosi inversa d'Àsia, marcant el començament de l'expansió de la tecnologia RO a la regió del Pacífic Àsia -. L’empresa va ser pionera en l’aplicació de la tecnologia de separació de membranes en la producció d’aigua ultrapure per a l’electrònica, la concentració d’aliments i begudes i la reutilització d’aigües residuals, impulsant els avenços ràpids en el rendiment del material de membrana i la integració de dispositius a tota la regió.

3. Verificació d'aplicacions militars dels Estats Units: unitats de RO mòbil
Del 1965 al 1968, la Marina dels Estats Units va col·laborar amb l’equip de Loeb per desenvolupar la unitat de dessalinització de l’aigua de mar mòbil (MSDU). Aquesta unitat es podria desplegar en vaixells, a bases endavant i en entorns durs per dessalinar l'aigua de mar. Aquest projecte no només va demostrar la viabilitat dels sistemes de RO en entorns de socors militars i de desastres, sinó que també va facilitar el posterior desplegament d’unitats Ro als ports, ciutats amb escassetat d’aigua i illes perifèriques.

1.
El 1980, Cadotte va proposar una membrana composta de poliamida aromàtica (Thin Film Composite, TFC) fabricada amb polimerització interfacial. Aquesta membrana consta de tres capes: una capa de suport de teixit no teixit, una capa intermèdia de polisulfona porosa i una capa superficial de poliamida ultra {2 {2}. La capa superficial de poliamida, només uns centenars de nanòmetres de gruix, presenta un excel·lent rebuig de sal. Aquesta estructura no només millora significativament el flux i la selectivitat de la membrana, sinó que també permet adaptar el rendiment de la membrana a fonts específiques d’aigua, convertint -se en l’arquitectura estàndard per a materials de membrana RO posteriors.

2. Comercialització: Aplicació generalitzada de la sèrie Dow FilmTec ™
El 1982, Dow Chemical Company va llançar la marca "FilmTec ™" de RO Membranes, incloent models representatius com el BW30 i SW30. Aquestes membranes, caracteritzades per una gran resistència a la molèstia, el flux elevat i la vida operativa estable, s’han utilitzat àmpliament en indústries com el subministrament d’aigua municipal, la dessalinització d’aigua de mar, l’electrònica i els semiconductors, els aliments i les begudes i els productes químics, establint la posició dominant de les membranes TFC al mercat.

3. Projecte de demostració a escala gran -: fàbrica d'aigua del comtat d'Orange 21
El 1990, la Orange County Water Authority a Califòrnia, EUA, va construir la fàbrica d’aigua 21, que utilitza un sistema RO per proporcionar un tractament de qualitat - per a les aigües residuals municipals. A continuació, aquest sistema experimenta un tractament avançat amb radiació UV i carboni activat, donant lloc a la beguda indirecta d’aigua reciclada. Això va marcar el primer gran reeixit a escala - a escala "beure - aigua reciclada", marcant la transició significativa de la tecnologia RO des del tractament de l'aigua industrial fins a la seguretat de l'aigua potable.

1. Anti - FULLING i el desenvolupament de les membranes modificades nano -
La fallada de membrana sempre ha estat un obstacle important per al llarg - funcionament del terme de la tecnologia RO. Per millorar les capacitats antifouling de membrana, els investigadors estan introduint nanomaterials com Tio₂, ZnO i AG a la superfície de la membrana. Aquests materials imparteixen les propietats d’adhesió biològica anti - i la descomposició fotocatalítica de la matèria orgànica, ampliant significativament la vida operativa de la membrana. Per exemple, la Universitat Tecnològica de Nanyang a Singapur ha desenvolupat una membrana TFC amb un jo fotocatalític - Capacitats de neteja a través de - site tio₂ doping.

2. Reducció significativa del consum d’energia de dessalinització: PX Dispositius de recuperació d’energia
L’intercanviador de pressió PX (PX) llançat per Energy Recovery Inc. es recupera i transfereix la pressió residual de la salmorra al costat d’entrada, reduint el consum d’energia específic dels sistemes RO dels 6 - 8 kWh/m³ a 2-3 kWh/m³. Aquest dispositiu s’utilitza àmpliament en projectes de dessalinització a gran escala en països com Israel i l’Aràbia Saudita, convertint Ro en una tecnologia de dessalinització principal a tot el món.

3. Sistemes d’automatització i control intel·ligent
Els sistemes RO a gran escala - estan equipats amb una plataforma de gestió automatitzada basada en un PLC (control de lògica programable) i el sistema SCADA, que permeten la recollida i control de temps real - de dades com ara qualitat influent, flux de membrana, pressió diferencial i índex de contaminació. Alguns sistemes incorporen ai - algoritmes assistits per predir les tendències de fulls de membrana i iniciar alertes de neteja amb antelació, permetent un funcionament "no assistit".

1. Progrés de recerca sobre les membranes de l’òxid de grafè (GO)
L’equip GEIM (Universitat de Manchester) va començar a explorar la propietat molecular de les membranes GO el 2013. Les membranes de GO tenen una sola capa -, dues estructures dimensionals - i poden aconseguir fluxos de 10 a 100 vegades superiors a les membranes tradicionals. També poden aconseguir separacions precises ajustant l’espai entre la capa. Les aplicacions potencials inclouen la dessalinització de l’aigua de mar, la separació de metalls pesants i el valor de solució afegida {{7- -. Tot i que encara no estan completament comercialitzats, es consideren un candidat clau per a la propera generació de materials de membrana de rendiment alts -.

2. Ai - Optimització i programació del sistema RO assistit
Amb l’adopció generalitzada de la ciència de dades, molts sistemes de RO industrials incorporen algoritmes d’AI, com ara xarxes neuronals i models d’aprenentatge automàtic, per identificar i optimitzar de manera intel·ligent els tipus de fulls de membrana, els paràmetres de funcionament i les tendències de consum d’energia.

3. Reutilització de membranes de residus i pilots d’economia circular
El "Rewamem Project" de la UE neteja i reprocessa les membranes RO de residus, convertint -les en baixes - membranes de nanofiltració de pressió o mòduls de membrana MBR per a sistemes de pretractament d'aigües residuals o de referència d'aigua de reg. Aquest projecte aconsegueix més del 80% de recuperació de recursos de membrana, impulsant la transició de la indústria RO cap a un desenvolupament de carboni baix -.