تاریخچه توسعه غشاهای اسمز معکوس RO

1. کشف اسمز و معرفی مفهوم غشاهای نیمه قابل قبول
توسعه فناوری غشای اسمز معکوس از درک پدیده طبیعی "اسموز" جدا نیست. در سال 1827 ، در حالی که در حال مطالعه سلولهای گیاهی ، فیزیولوژیست فرانسوی Dutrochet برای اولین بار مهاجرت مولکول های آب را از طریق غشای سلولی از یک محلول غلظت کم- به یک محلول غلظت بالا {3} مشاهده کرد. این پدیده ، که به عنوان "اسموز" تعریف شده است ، بر وجود یک ساختار انتخابی قابل نفوذ محور است ، SO- نامیده می شود "غشای نیمه قابل قبول". اگرچه در حال حاضر مواد غشایی مصنوعی هنوز توسعه نیافته است ، اما آزمایشات داتروست مبنای نظری را برای جداسازی غشای فراهم می کرد.

2. ایجاد مدل ترمودینامیکی فشار اسمزی

در اواخر قرن نوزدهم ، ون شیمیدان فیزیکی هلندی 'T Hoff معادله فشار اسمزی معروف را در سال 1886 پیشنهاد کرد: π {{2} imrt ، جایی که π فشار اسمزی است ، من فاکتور تفکیک حل است ، M غلظت مولی است ، R ثابت گاز است و T است و دمای ترمودینامیکی است. این معادله پدیده اسمز را با تئوری ترمودینامیک شیمیایی ترکیب کرد و برای اولین بار نیروی محرک فرآیندهای غشایی را اندازه گیری کرد. کار ون هوف یک مؤلفه مهم از مبانی ترمودینامیکی مهندسی جدایی غشای محسوب می شود و پایه ای برای پارامترهای کلیدی در طراحی فرآیند اسمز معکوس متعاقب آن فراهم می کند.

3. ظهور تحقیقات اولیه در مورد غشاهای مصنوعی

در اوایل قرن بیستم ، دانشمند آلمانی بچلد برای اولین بار در سال 1907 گزارش استفاده از غشاهای ساخته شده از نیترات سلولز برای جداسازی ذرات کلوئیدی را گزارش کرد. این غشاها درجه مشخصی از نیمه پایداری را به نمایش گذاشتند. اگرچه این فناوری در ابتدا در درجه اول در شیمی تحلیلی و آزمایش های بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گرفت ، اما این غشاها قبلاً دارای خواص اساسی اندازه و شار منافذ قابل کنترل بودند و پیشرو در صنعتی شدن فناوری غشای محسوب می شوند. غشاهای بچلد به طور گسترده ای در آزمایش های اساسی مانند جداسازی پروتئین و احتباس ویروس مورد استفاده قرار گرفت ، به طور غیرمستقیم ترویج تحقیق و استاندارد سازی خصوصیات فیزیکی مواد غشایی (مانند توزیع اندازه منافذ ، ضخامت و مقاومت ساختاری).

1. اولین کاربرد اسمز معکوس
اگرچه اسموز مدتهاست که مشاهده شده و از لحاظ کیفی توصیف شده بود ، اما دانشمندان در اواسط قرن 20} 2}}} نبودند که دانشمندان کشف کردند که چگونه روند را معکوس کنند. با استفاده از فشار خارجی بیشتر از فشار اسمزی بر محلول غلیظ ، مولکول های آب از یک محلول غلظت {3} بالا به یک محلول کم غلظت مهاجرت می کنند. این فرایند به عنوان اسمز معکوس شناخته می شود. بیشترین چالش هایی که در توسعه اولیه غشاهای اسمز معکوس با آن روبرو بود ، انتخاب مواد و طراحی ساختار غشای بود: دستیابی به انتخاب کافی بدون قربانی کردن شار.

2. پیشرفت غشای نامتقارن Loeb و Sorirajan (1959)
در سال 1959 ، لوئب و سوریرجان از دانشگاه کالیفرنیا ، لس آنجلس ، اولین غشای معکوس معکوس در جهان را توسعه دادند. با استفاده از یک روش وارونگی فاز ، آنها یک غشای استات سلولز را با یک ساختار نامتقارن مجزا ساختند. لایه سطح غشای ، تقریباً 0.2 تا 0.5 میکرون ضخامت دارد ، از انتخاب بسیار بالایی برخوردار است. ساختار متخلخل زیرین پشتیبانی مکانیکی را فراهم می کند و مقاومت جریان را کاهش می دهد. این غشای نامتقارن به میزان رد نمک تا 98 ٪ و شار ده ها لیتر در هر متر مربع در ساعت دست می یابد و پایه و اساس کاربردهای صنعتی بعدی را ایجاد می کند.

3. پروژه دولت ایالات متحده و کارخانه آزمایشی UCLA

دفتر آب شور ایالات متحده این تحقیق را در اواخر دهه 1950 تأمین کرد و اولین کارخانه آزمایشگاهی آب نمک زدایی آب دریا را تأسیس کرد. این سیستم با استفاده از یک غشای RO نامتقارن ، روزانه 14 تن آب شیرین تولید می کند. در حالی که هنوز هم نسبتاً بزرگ و پرهزینه برای کار کردن است ، این دستاورد برای اولین بار نشان داد که فناوری RO نه تنها از نظر تئوری امکان پذیر است بلکه در مقیاس عملی نیز قابل دستیابی است ، و در کاربرد عملی جداسازی غشای در تصفیه آب استفاده می کند.

1. توسعه صفحه- و - قاب و مارپیچ {3} ماژول های غشایی زخم
از آنجا که مواد غشایی اسمز معکوس پایدارتر شدند ، بهینه سازی ساختار غشای به عنوان یک مؤلفه دستگاه برای توسعه صنعتی بسیار مهم شد. در سال 1969 ، DuPont عنصر غشای زخمی B- 9 مارپیچ- را معرفی کرد. این طرح برای یک منطقه غشای بزرگتر در یک حجم محدود امکان پذیر است ، به طور قابل توجهی ظرفیت پردازش سیستم و راندمان انرژی را بهبود می بخشد. در مقایسه با ساختار قاب {7- و {{8} ، ماژول های غشایی مارپیچ چگالی منطقه غشای حجمی بالاتری ، افت فشار کمتری و نیازهای نگهداری پایین تر ، به سرعت تبدیل به فاکتور اصلی شکل برای کاربردهای صنعتی RO می شوند.

2. گسترش سریع بازار بین المللی
در سال 1970 ، Toray Industries ، ژاپن ، اولین خط تولید غشای معکوس اسمز معکوس آسیا را به پایان رساند و نشانگر آغاز گسترش فناوری RO در منطقه اقیانوس آرام- است. این شرکت پیشگام استفاده از فناوری جداسازی غشای در تولید آب اولتراپور برای الکترونیک ، غلظت مواد غذایی و آشامیدنی و استفاده مجدد از فاضلاب ، پیشرفت سریع در عملکرد مواد غشایی و ادغام دستگاه در سراسر منطقه بود.

3. تأیید درخواست نظامی ایالات متحده: واحدهای RO موبایل
از سال 1965 تا 1968 ، نیروی دریایی ایالات متحده با تیم Loeb برای توسعه واحد آب شیرین کن آب موبایل (MSDU) همکاری کرد. این واحد می تواند در کشتی ها ، در پایگاه های رو به جلو و در محیط های سخت برای آب شیرین کن آب دریا مستقر شود. این پروژه نه تنها امکان پذیر بودن سیستم های RO در تنظیمات نظامی و امدادرسانی در برابر بلایای طبیعی را نشان داد بلکه استقرار بعدی واحدهای RO را در بنادر ، شهرهایی با کمبود آب و جزایر دور افتاده تسهیل کرد.

1. پیشرفت عمده در ساختار مواد غشایی: غشای کامپوزیت TFC
در سال 1980 ، Cadotte یک غشای کامپوزیت پلی آمید معطر (کامپوزیت فیلم نازک ، TFC) را با استفاده از پلیمریزاسیون بین سطحی تهیه کرد. این غشاء از سه لایه تشکیل شده است: یک لایه پشتیبانی پارچه ای غیر بافته ، یک لایه میانی پلی سولفون متخلخل و یک لایه سطح پلی آمید نازک {2}. لایه سطح پلی آمید ، تنها چند صد نانومتر ضخامت دارد ، رد نمکی عالی را نشان می دهد. این ساختار نه تنها به طور قابل توجهی شار و انتخاب غشایی را بهبود می بخشد بلکه باعث می شود عملکرد غشایی به منابع خاص آب ، تبدیل به معماری استاندارد برای مواد غشای RO بعدی شود.

2. تجاری سازی: کاربرد گسترده سریال Dow Filmtec.
در سال 1982 ، شرکت شیمیایی داو مارک "FilmTec ™" از غشاهای RO را راه اندازی کرد ، از جمله مدل های نماینده مانند BW30 و SW30. این غشاها ، که با مقاومت در برابر رسوب زیاد ، شار زیاد و عمر پایدار مشخص می شوند ، به طور گسترده ای در صنایعی مانند آبرسانی شهرداری ، آب شیرین کن آب دریا ، الکترونیک و نیمه هادی ها ، مواد غذایی و نوشیدنی ها و مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند و موقعیت غالب غشاهای TFC را در بازار ایجاد می کنند.

3
در سال 1990 ، اداره آب اورنج کانتی در کالیفرنیا ، ایالات متحده ، کارخانه آب 21 را ساخته است ، که از یک سیستم RO برای تهیه تصفیه کیفیت بالا- برای فاضلاب شهرداری استفاده می کند. این سیستم سپس با تابش اشعه ماوراء بنفش و کربن فعال شده تحت درمان پیشرفته قرار می گیرد و در نتیجه نوشیدن غیرمستقیم آب بازیافت شده انجام می شود. این اولین پروژه موفق در مقیاس بزرگ - "نوشیدن- آب بازیافت شده درجه" بود که نشانگر انتقال قابل توجه فناوری RO از تصفیه آب صنعتی به امنیت آب آشامیدنی است.

1. anti- رسوب و توسعه غشاهای اصلاح شده nano {2}
رسوب غشای همیشه مانع اصلی عملکرد طولانی مدت فناوری RO است. برای بهبود قابلیت های ضد انعطاف پذیری غشایی ، محققان در حال معرفی نانومواد مانند Tio₂ ، ZnO و Ag در سطح غشای هستند. این مواد به خصوصیات چسبندگی بیولوژیکی ضد- و تجزیه فتوکاتالیستی ماده آلی منتقل می کنند و عمر عملیاتی غشای را به طور قابل توجهی گسترش می دهند. به عنوان مثال ، دانشگاه فن آوری Nanyang در سنگاپور یک غشای TFC را با قابلیت تمیز کردن خود - از طریق - situ tio₂ دوپینگ ایجاد کرده است.

2. به طور قابل توجهی کاهش مصرف انرژی آب شیرین کن: دستگاههای بازیابی انرژی PX
مبدل فشار PX (PX) که توسط Energy Recovery Inc راه اندازی شده است ، فشار باقیمانده از آب نمک به سمت ورودی را بازیابی می کند و انتقال می دهد و مصرف انرژی خاص سیستم های RO را از 6 {4} 8} 8 کیلووات ساعت در متر مربع به 2-3 کیلووات ساعت در متر مربع کاهش می دهد. این دستگاه به طور گسترده در پروژه های آب شیرین کن در مقیاس بزرگ در کشورهایی مانند اسرائیل و عربستان سعودی مورد استفاده قرار می گیرد و باعث می شود RO به یک فناوری اصلی آب شیرین کن در سراسر جهان تبدیل شود.

10. سیستم های اتوماسیون و کنترل هوشمند
سیستم های RO مقیاس بزرگ - مجهز به یک پلت فرم مدیریت خودکار بر اساس یک PLC (کنترل منطق قابل برنامه ریزی) و سیستم SCADA هستند و امکان جمع آوری زمان- واقعی و کنترل داده هایی مانند کیفیت تأثیرگذار ، شار غشاء ، فشار دیفرانسیل و شاخص آلودگی را فراهم می کنند. برخی از سیستم ها شامل الگوریتم های AI- برای پیش بینی روند رسوب غشایی و شروع هشدارهای تمیز کردن از قبل هستند ، و این امکان را فراهم می کند.

1. پیشرفت تحقیق در مورد غشاهای گرافن اکسید (GO)
تیم GEIM (دانشگاه منچستر) در سال 2013 کاوش در مورد خصوصیات غربال مولکولی غشاهای GO را آغاز کرد. غشای GO دارای یک لایه- ، دو {2} ساختار بعدی هستند و می توانند به شار 10 تا 100 برابر بیشتر از غشاهای سنتی برسند. آنها همچنین می توانند با تنظیم فاصله بین لایه ، به جداسازی های دقیق دست یابند. برنامه های بالقوه شامل آب شیرین کن آب دریا ، جداسازی فلزات سنگین و مقدار بالا- -} درمان اضافه شده اضافه شده است. اگرچه هنوز کاملاً تجاری نشده است ، اما آنها کاندیدای اصلی برای نسل بعدی مواد غشای عملکرد بالا- در نظر گرفته می شوند.

2.
با اتخاذ گسترده علوم داده ، بسیاری از سیستم های RO صنعتی شامل الگوریتم های هوش مصنوعی مانند شبکه های عصبی و مدل های یادگیری ماشین هستند تا به طور هوشمندانه انواع رسوب غشایی ، پارامترهای عملیاتی و روند مصرف انرژی را شناسایی و بهینه کنند.

3. استفاده مجدد از غشاهای زباله و خلبانان اقتصاد دایره ای
"پروژه Rewamem" اتحادیه اروپا از نظر شیمیایی غشاهای زباله را پاک و پردازش مجدد می کند ، و آنها را به غشاهای نانوالیتراسیون فشار {{0} کم یا ماژول های غشایی MBR برای پیش تصفیه فاضلاب یا سیستم های استفاده مجدد آب آبیاری تبدیل می کند. این پروژه به بیش از 80 ٪ بازیابی منابع غشایی دست می یابد و انتقال صنعت RO را به سمت کربن 3- توسعه ، توسعه پایدار سوق می دهد.