RO -käänteisosmoosikalvojen kehityksen historia

1. Osmoosin löytäminen ja puolisolujen käsitteen käyttöönotto
Käänteisosmoosikalvoteknologian kehitys on erottamaton "osmoosin" luonnollisen ilmiön ymmärtämisestä. Vuonna 1827 kasvisolujen tutkiessaan ranskalainen fysiologi Dutrochet havaitsi ensin vesimolekyylien kulkeutumisen solukalvojen läpi matalasta - -pitoisuusliuoksesta korkeaan - -pitoisuusliuokseen. Tämä ilmiö, joka on määritelty "osmoosiksi", on keskittynyt selektiivisesti läpäisevän rakenteen olemassaoloon, niin -, nimeltään "Sempermable -kalvo". Vaikka keinotekoisia membraanimateriaaleja ei ollut vielä kehitetty tällä hetkellä, Dutrochetin kokeet tarjosivat teoreettisen perustan kalvon erotukselle.

2. Osmoottisen paineen termodynaamisen mallin perustaminen

1800 -luvun loppuun mennessä hollantilainen fysikaalinen kemisti Van 't Hoff ehdotti kuuluisaa osmoottista paineyhtälöä vuonna 1886: π=IMRT, jossa π on osmoottinen paine, I on liuenneen aineen dissosiaatiokerroin, M on moolikonsentraatio, r on kaasuvakio ja t on lämpötila. Tämä yhtälö yhdisti osmoosin ilmiön kemiallisen termodynamiikan teoriaan ja kvantifioi ensimmäistä kertaa kalvoprosessien käyttövoiman. Van 't Hoffin työtä pidetään tärkeänä komponenttina kalvon erotustekniikan termodynaamisissa perusteissa, ja se tarjoaa perustan keskeisille parametreille seuraavassa käänteisosmoosiprosessin suunnittelussa.

3. Keinotekoisten kalvojen alustavan tutkimuksen syntyminen

1900 -luvun alkupuolella saksalainen tutkija Bechhold kertoi ensin vuonna 1907 selluloosanitraatista valmistettujen kalvojen käyttö kolloidisten hiukkasten erottamiseksi. Näillä kalvoilla oli tietty puolivälissä. Vaikka tätä tekniikkaa käytettiin alun perin ensisijaisesti analyyttisessä kemiassa ja biologisissa kokeissa, näillä kalvoilla oli jo hallittavan huokoskoon ja vuon perustavanlaatuisia ominaisuuksia, ja niitä pidetään membraanitekniikan teollistumisen edeltäjänä. Bechholdin kalvoja käytettiin laajalti peruskokeissa, kuten proteiinien erottamisessa ja viruksen pidättämisessä, edistäen epäsuorasti membraanimateriaalin fysikaalisten ominaisuuksien tutkimusta ja standardisointia (kuten huokoskokojakaumaa, paksuutta ja rakenteellista lujuutta).

1. Käänteisosmoosin ensimmäinen käyttö
Vaikka osmoosia oli pitkään havaittu ja laadullisesti kuvattu, tutkijat löysivät vasta kääntää prosessin vasta - 1900 -luvun puolivälissä. Soveltamalla ulkoista painetta, joka on suurempi kuin osmoottinen paine väkevöityyn liuokseen, vesimolekyylit kulkevat korkeasta - -pitoisuusliuoksesta matalan kestävyyden liuokseen. Tätä prosessia kutsutaan käänteisosmoosiksi. Suurimmat haasteet käänteisosmoosikalvojen alkuperäisessä kehityksessä olivat materiaalien valinta ja membraanirakenteen suunnittelu: riittävän selektiivisyyden saavuttaminen uhraamatta vuoa.

2. Loebin ja Sourirajanin epäsymmetrinen kalvon läpimurto (1959)
Vuonna 1959 Los Angelesin Kalifornian yliopiston Loeb ja Sourirajan kehittivät maailman ensimmäisen teollisesti kannattavan käänteisosmoosikalvon. Käyttämällä faasin inversiomenetelmää, he valmistivat selluloosa -asetaattikalvon, jolla oli selkeä epäsymmetrinen rakenne. Kalvon pintakerros, joka on noin 0,2 - 0,5 mikronia, on erittäin korkea selektiivisyys. Alla oleva huokoinen rakenne tarjoaa mekaanisen tuen ja vähentää virtausvastuksen. Tämä epäsymmetrinen kalvo saavuttaa jopa 98%: n suola -hylkäämisenopeuden ja kymmenien litran virtaus neliömetriä kohti tunnissa, ja se on perustavat seuraavat teollisuussovellukset.

3. Yhdysvaltain hallituksen projekti ja UCLA -pilottehdas

Yhdysvaltain suolaliuosveden toimisto rahoitti tätä tutkimusta 1950 -luvun lopulla ja perusti ensimmäisen kokeellisen meriveden suolanpoistolaitoksen. Tämä järjestelmä, jossa käytetään epäsymmetristä RO -kalvoa, tuotti 14 tonnia makeaa vettä päivässä. Vaikka tämä saavutus oli edelleen suhteellisen suuri ja kallista, se osoitti ensimmäistä kertaa, että RO -tekniikka ei ollut vain teoreettisesti toteutettavissa, vaan myös saavutettavissa käytännöllisessä mittakaavassa, ohittaen membraanin erottelun käytännön levityksen vedenkäsittelyssä.

1. Levyn kehittäminen - ja - kehys ja spiraali - haavakalvomoduulit
Kun käänteisosmoosimembraanimateriaalit tulivat vakaammiksi, kalvorakenteen optimointi laitekomponentista tuli tärkeä teollisuuden kehitykselle. Vuonna 1969 DuPont esitteli B - 9 -spiraalin - haavakalvoelementin. Tämä suunnittelu mahdollisti suuremman kalvoalueen rajoitetussa tilavuudessa, mikä parantaa merkittävästi järjestelmänkäsittelykapasiteettia ja energiatehokkuutta. Verrattuna perinteiseen levyyn - ja - kehysrakenteet, spiraalilaadun kalvomoduulit tarjoavat korkeamman tilavuuden kalvon pinta-alan tiheyden, alhaisemman paineen pudotuksen ja alhaisemmat ylläpitovaatimukset, joista tulee nopeasti valtamuotokerroin RO-teollisuussovelluksissa.

2. kansainvälisten markkinoiden nopea laajentuminen
Vuonna 1970 Toray Industries, Japani, valmisti Aasian ensimmäisen kaupallisen käänteisosmoosin kalvon tuotantolinjan merkitsemällä Ro -tekniikan laajennuksen alkua Aasiassa - Tyynenmeren alueella. Yhtiö oli edelläkävijä membraanin erotustekniikan soveltamisessa ultrafarisen veden tuotannossa elektroniikan, elintarvike- ja juomapitoisuuden ja jätevesien uudelleenkäytön suhteen, mikä edisti nopeaa kehitystä kalvomateriaalin suorituskyvyssä ja laitteiden integroinnissa koko alueelle.

3. Yhdysvaltain armeijan sovellusten varmennus: Mobile RO -yksiköt
Vuodesta 1965 vuoteen 1968 Yhdysvaltain laivasto teki yhteistyötä Loebin joukkueen kanssa liikkuvalle meriveden suolanpoistoyksikölle (MSDU). Tätä yksikköä voitiin ottaa käyttöön aluksissa, eteenpäin ja ankarissa ympäristöissä suolaveden suolanpoistoon. Tämä projekti ei vain osoittanut RO -järjestelmien toteutettavuutta sotilaallisissa ja katastrofiapuissa, vaan myös helpotti RO -yksiköiden myöhempää sijoittamista satamiin, kaupunkeihin, joilla on vesipula ja syrjäiset saaret.

1. Suurin läpimurto membraanimateriaalirakenteessa: TFC -komposiittikalvo
Vuonna 1980 Cadotte ehdotti aromaattista polyamidikomposiittimembraania (ohutkalvokomposiitti, TFC), joka oli valmistettu käyttämällä rajapintapolymerointia. Tämä kalvo koostuu kolmesta kerroksesta: kuitukangastukikerros, huokoinen polysulfonin välikerros ja ultra - ohut polyamidipintakerros. Polyamidin pintakerros, vain muutama sata nanometriä paksu, osoittaa erinomaisen suolan hylkäämisen. Tämä rakenne ei vain parantaa merkittävästi kalvovirtausta ja selektiivisyydestä, vaan myös mahdollistaa membraanin suorituskyvyn räätälöinnin tiettyihin vesilähteisiin, ja siitä tulee seuraavien RO -membraanimateriaalien vakioarkkitehtuuri.

2. Kaupallistaminen: Dow FilmTec ™ -sarjan laajalle levinnyt sovellus
Vuonna 1982 Dow Chemical Company julkaisi "FilmTec ™" -brändin RO -kalvojen, mukaan lukien edustavat mallit, kuten BW30 ja SW30. Näitä membraaneja, joille on ominaista korkea likaantumisen vastus, korkea virtaus ja vakaa toimintaikä, on käytetty laajasti teollisuudenaloilla, kuten kunnallinen vesihuolto, meriveden suolanpoisto, elektroniikka ja puolijohteet, elintarvikkeet ja juomat sekä kemikaalit, jotka luovat markkinoille TFC -kalvojen hallitsevan sijainnin.

3. Suuri - asteikon demonstraatioprojekti: Orange County Water Factory 21
Vuonna 1990 Orange County Water Authority Kaliforniassa, Yhdysvalloissa, rakensi vesitehtaalla 21, jossa käytetään RO -järjestelmää korkean - laadukkaan hoidon tarjoamiseksi kunnalliselle jätevedelle. Tämän jälkeen järjestelmä läpäisee edistyneen käsittelyn UV -säteilyllä ja aktivoidulla hiilellä, mikä johtaa kierrätetyn veden epäsuoraan juomiseen. Tämä merkitsi maailman ensimmäistä onnistunutta suurta - asteikkoa "juominen - luokan kierrätysvettä" -projekti, joka merkitsee RO -tekniikan merkittävää siirtymää teollisen vedenkäsittelystä juomaveden turvallisuuteen.

1. Anti - likaantuminen ja nanon kehitys - modifioidut kalvot
Kalvojen likaantuminen on aina ollut tärkeä este RO -tekniikan pitkälle - termitoiminnalle. Kalvojen antifouling -ominaisuuksien parantamiseksi tutkijat tuovat nanomateriaaleja, kuten TiO₂, ZnO ja AG, kalvon pintaan. Nämä materiaalit antavat anti - biologiset tarttuvuusominaisuudet ja orgaanisen aineen fotokatalyyttinen hajoaminen, pidentäen merkittävästi kalvon käyttöaika. Esimerkiksi Singaporen Nanyangin teknologinen yliopisto on kehittänyt TFC -kalvon fotokatalyyttisen itse - puhdistusominaisuuksien avulla - situ -tio₂ -dopingin kautta.

2. Vähensi merkittävästi suolanpoiston energiankulutusta: PX -energian talteenottolaitteet
Energy Recovery Inc. -yrityksen käynnistämä PX-paineenvaihdin (PX) palauttaa ja siirtää jäännöspaineen suolavedestä sisääntulon puolelle vähentäen RO-järjestelmien erityistä energiankulutusta aikaisemmasta 6 - 8 kWh/m³-2-3 kWh/m³. Tätä laitetta käytetään laajasti laajamittaisissa suolanpoistoprojekteissa esimerkiksi Israelin ja Saudi-Arabian kaltaisissa maissa, mikä tekee Ro: sta valtavirran suolanpoistotekniikkaa maailmanlaajuisesti.

3. Automaatio ja älykkäät ohjausjärjestelmät
Suuret - Scale RO -järjestelmät on varustettu automatisoidulla hallintaalustalla, joka perustuu PLC: hen (ohjelmoitava logiikan hallinta) ja SCADA -järjestelmään, mikä mahdollistaa todellisen - ajan keräämisen ja datan hallinnan, kuten vaikuttavan laadun, kalvovirran, differentiaalisen paineen ja kontaminaatioindeksin. Joissakin järjestelmissä on AI - avustetut algoritmit ennustamaan kalvon likaantumistrendejä ja aloittamaan puhdistushälytykset etukäteen, mahdollistaen "valvomattoman" toiminnan.

1. Grafeenioksidin (GO) kalvojen tutkimuksen edistyminen
GEIM -tiimi (Manchesterin yliopisto) alkoi tutkia GO -kalvojen molekyylin seulontaominaisuuksia vuonna 2013. GO -kalvoilla on yksi - kerros, kaksi - mittasarakennetta ja voi saavuttaa vuodot 10 - 100 kertaa korkeampi kuin perinteiset kalvot. Ne voivat myös saavuttaa tarkat erottelut säätämällä välikerroksen etäisyyttä. Mahdollisiin sovelluksiin kuuluvat meriveden suolanpoisto, raskasmetallin erottaminen ja korkea - arvo - lisätty ratkaisuhoito. Vaikka niitä ei vielä ole täysin kaupallistettu, niitä pidetään avainehdokkaana seuraavalle korkealle - suorituskalamateriaalille.

2. Ai - avustettu RO -järjestelmän optimointi ja aikataulu
Tietotieteen laaja -alaisella käyttöönotolla monet teolliset RO -järjestelmät sisältävät AI -algoritmeja, kuten hermoverkkoja ja koneoppimismalleja, tunnistaakseen ja optimoidaksesi kalvojen likaantumistyypit, käyttöparametrit ja energiankulutuksen suuntaukset.

3. Jätteiden kalvojen ja ympyrätalouden lentäjien uudelleenkäyttö
EU: n "Rewamem -projekti" puhdistaa ja käsittelee uudelleenkäsittelyä RO -membraaneja muuntamalla ne alhaisiksi - paine -nano -nano -membraaneiksi tai MBR -kalvomoduuleiksi jäteveden esikäsittelyä tai kasteluveden uudelleenkäyttöjärjestelmiä varten. Tämä projekti saavuttaa yli 80% kalvovarojen palautumisen, mikä johtaa RO -teollisuuden siirtymistä kohti alhaisen - hiilen, kestävän kehityksen.