Historie om udvikling af RO omvendt osmosemembraner

1. Opdagelse af osmose og introduktionen af ​​begrebet semipermeable membraner
Udviklingen af ​​omvendt osmosemembranteknologi er uadskillelig fra forståelsen af ​​det naturlige fænomen med "osmose." I 1827, mens de studerede planteceller, observerede den franske fysiolog -dukrochet først migrationen af ​​vandmolekyler gennem cellemembraner fra en lav - koncentrationsopløsning til en høj - koncentrationsløsning. Dette fænomen, defineret som "osmose", er centreret om eksistensen af ​​en selektiv permeabel struktur, den så - kaldet "semipermeable membran." Selvom kunstige membranmaterialer endnu ikke var blevet udviklet på dette tidspunkt, gav Dutrochets eksperimenter det teoretiske grundlag for membranseparation.

2. etablering af den osmotiske tryktermodynamiske model

Ved udgangen af ​​det 19. århundrede foreslog den hollandske fysiske kemiker van 't hoff den berømte osmotiske trykligning i 1886: π=IMRT, hvor π er det osmotiske tryk, jeg er den opløste dissociationsfaktor, m er den molære koncentration, r er gaskonstanten, og T er den termerynamiske temperatur. Denne ligning kombinerede fænomenet osmose med teorien om kemisk termodynamik og kvantificerede for første gang drivkraften for membranprocesser. Van 't Hoffs arbejde betragtes som en vigtig komponent i de termodynamiske fundamenter af membranseparationsteknik og gav et grundlag for nøgleparametre i det efterfølgende omvendte osmose -procesdesign.

3. fremkomsten af ​​foreløbig forskning på kunstige membraner

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede rapporterede den tyske lærde Bechhold først i 1907 brugen af ​​membraner lavet af cellulosnitrat til adskillelse af kolloide partikler. Disse membraner udviste en vis grad af semipermeabilitet. Selvom denne teknologi oprindeligt primært blev brugt i analytisk kemi og biologiske eksperimenter, havde disse membraner allerede de grundlæggende egenskaber ved kontrollerbar porestørrelse og flux og betragtes som forløber for industrialiseringen af ​​membranteknologi. Bechholds membraner blev vidt anvendt i basale eksperimenter, såsom proteinseparation og virusretention, indirekte fremme forskningen og standardiseringen af ​​membranmateriale fysiske egenskaber (såsom porestørrelsesfordeling, tykkelse og strukturel styrke).

1. den første anvendelse af omvendt osmose
Selvom osmose længe var blevet observeret og kvalitativt beskrevet, var det først i midten af ​​- det 20. århundrede, at forskere opdagede, hvordan man kunne vende processen. Ved at påføre et eksternt tryk, der er større end det osmotiske tryk på den koncentrerede opløsning, migrerer vandmolekyler fra en høj - koncentrationsopløsning til en lavkoncentrationsopløsning. Denne proces er kendt som omvendt osmose. De største udfordringer, der står over for den indledende udvikling af omvendt osmosemembraner, var materialevalg og membranstrukturdesign: opnåelse af tilstrækkelig selektivitet uden at ofre flux.

2. Loeb og Sourirajans asymmetriske membran gennembrud (1959)
I 1959 udviklede Loeb og Sourirajan fra University of California, Los Angeles, verdens første industrielt levedygtige omvendt osmosemembran. Ved hjælp af en faseinversionsmetode fremstillede de en celluloseacetatmembran med en distinkt asymmetrisk struktur. Membranens overfladelag, ca. 0,2 til 0,5 mikron tyk, udviser ekstremt høj selektivitet. Den underliggende porøse struktur tilvejebringer mekanisk støtte og reducerer strømningsmodstanden. Denne asymmetriske membran opnår en saltafvisningshastighed på op til 98% og en flux af titusinder pr. Kvadratmeter i timen, hvilket lægger grundlaget for efterfølgende industrielle anvendelser.

3. US Government Project og UCLA Pilot Plant

Det amerikanske kontor for saltvand finansierede denne forskning i slutningen af ​​1950'erne og etablerede det første eksperimentelle afsaltningsanlæg til havvand. Dette system, der bruger en asymmetrisk RO -membran, producerede 14 ton ferskvand pr. Dag. Selvom den stadig var relativt stor og kostbar at betjene, demonstrerede denne præstation for første gang, at RO -teknologi ikke kun var teoretisk gennemførlig, men også opnåelig i praktisk skala, hvilket indførte den praktiske anvendelse af membransseparation i vandbehandling.

1. Udvikling af plade - og - ramme og spiral - sårmembranmoduler
Efterhånden som omvendt osmosismembranmaterialer blev mere stabile, blev optimering af membranstruktur, da en enhedskomponent blev afgørende for industriel udvikling. I 1969 introducerede Dupont B - 9 spiral - sårmembranelementet. Dette design muliggjorde et større membranområde inden for et begrænset volumen, hvilket forbedrer systembehandlingskapaciteten og energieffektiviteten markant. Sammenlignet med traditionel plade - og - rammestrukturer, giver spiral-wo-membranmoduler højere volumetriske membranområdedensitet, lavere trykfald og lavere vedligeholdelseskrav, hvilket hurtigt bliver mainstream-formfaktor til RO-industrielle applikationer.

2. hurtig udvidelse af det internationale marked
I 1970 afsluttede Toray Industries, Japan, Asiens første kommercielle omvendte osmose -membranproduktionslinje, der markerede begyndelsen på RO -teknologiens ekspansion i Asien - Pacific Region. Virksomheden var banebrydende for anvendelsen af ​​membranseparationsteknologi i produktionen af ​​ultrapurvand til elektronik, mad og drikke koncentration og genbrug af spildevand, hvilket driver hurtige fremskridt inden for membranmateriale ydelse og enhedsintegration i hele regionen.

3. US militær applikationsbekræftelse: Mobile RO -enheder
Fra 1965 til 1968 samarbejdede US Navy med Loebs team om at udvikle den mobile havvandsafsaltningsenhed (MSDU). Denne enhed kunne indsættes på skibe, ved fremadgående baser og i barske miljøer for at afsalinere havvand. Dette projekt demonstrerede ikke kun muligheden for RO -systemer i militære og katastrofehjælpsindstillinger, men lettede også den efterfølgende implementering af RO -enheder i havne, byer med vandmangel og afgrænsede øer.

1. Større gennembrud i membranmateriale Struktur: TFC -kompositmembran
I 1980 foreslog Cadotte en aromatisk polyamidkompositmembran (tynd filmkomposit, TFC) fremstillet under anvendelse af grænsefladepolymerisation. Denne membran består af tre lag: et ikke -vævet stofstøttelag, et porøst polysulfon -mellemlag og et ultra - tyndt polyamidoverfladelag. Polyamidoverfladelaget, kun et par hundrede nanometer tykke, udviser fremragende saltafvisning. Denne struktur forbedrer ikke kun membranflux og selektivitet markant, men giver også mulighed for at skræddersy membranpræstation til specifikke vandkilder og blive standardarkitektur for efterfølgende RO -membranmaterialer.

2. Kommercialisering: Udbredt anvendelse af Dow Filmtec ™ -serien
I 1982 lancerede Dow Chemical Company "Filmtec ™" -mærket RO -membraner, inklusive repræsentative modeller som BW30 og SW30. Disse membraner, kendetegnet ved høj begroingsmodstand, høj flux og stabil driftsliv, er blevet vidt brugt i industrier som kommunal vandforsyning, afsaltning af havvand, elektronik og halvledere, mad og drikkevarer og kemikalier, der etablerer den dominerende position af TFC -membraner på markedet.

3. Stor - skala demonstrationsprojekt: Orange County Water Factory 21
I 1990 konstruerede Orange County Water Authority i Californien, USA, Water Factory 21, der bruger et RO -system til at tilvejebringe høj - kvalitetsbehandling til kommunalt spildevand. Dette system gennemgår derefter avanceret behandling med UV -stråling og aktivt kul, hvilket resulterer i den indirekte drikke af genanvendt vand. Dette markerede verdens første succesrige store - skala "Drinking - Grad Recycled Water" -projekt, der markerer den betydelige overgang af RO -teknologi fra industriel vandbehandling til drikkevandssikkerhed.

1. Anti - begroing og udvikling af nano - Ændrede membraner
Membran -begroing har altid været en stor hindring for den lange - term drift af RO -teknologi. For at forbedre membran -antifouling -kapaciteter introducerer forskere nanomaterialer såsom TiO₂, ZnO og AG i membranoverfladen. Disse materialer overfører anti - biologiske adhæsionsegenskaber og fotokatalytisk nedbrydning af organisk stof, der markant forlænger membranens driftsliv. For eksempel har Nanyang Technological University i Singapore udviklet en TFC -membran med fotokatalytisk selv - rengøringsfunktioner gennem i - situ tio₂ doping.

2.. Nedsat af afsaltning af energiforbrug: PX Energy Recovery Devices
PX-trykveksleren (PX), der blev lanceret af Energy Recovery Inc., gendanner og overfører resterende tryk fra saltvand til indløbssiden, hvilket reducerer det specifikke energiforbrug af RO-systemer fra de tidligere 6 - 8 kWh/m³ til 2-3 kWh/m³. Denne enhed er vidt brugt i store afsaltningsprojekter i lande som Israel og Saudi-Arabien, hvilket gør RO til mainstream afsaltningsteknologi over hele verden.

3. automatisering og intelligente kontrolsystemer
Store - skala RO -systemer er udstyret med en automatiseret styringsplatform baseret på en PLC (programmerbar logisk kontrol) og SCADA -system, hvilket muliggør reelt - tidsindsamling og kontrol af data såsom påvirkningskvalitet, membranflux, differentielt tryk og forureningsindeks. Nogle systemer inkorporerer AI - assisterede algoritmer til at forudsige membranforureningstendenser og starte rengøringsalarmer på forhånd, hvilket muliggør "uovervåget" operation.

1. Forskningsfremskridt på grafenoxid (GO) membraner
GEIM -teamet (University of Manchester) begyndte at udforske de molekylære sigtningsegenskaber ved GO -membraner i 2013. GO -membraner har et enkelt - lag, to - dimensionel struktur og kan opnå fluxer 10 til 100 gange højere end traditionelle membraner. De kan også opnå nøjagtige adskillelser ved at justere mellemlagsafstanden. Potentielle anvendelser inkluderer afsaltning af havvand, tungmetalseparation og høj - værdi - Tilføjet løsningsbehandling. Selvom de endnu ikke er fuldt kommercialiseret, betragtes de som en nøglekandidat til den næste generation af høje - ydelsesmembranmaterialer.

2. ai - Assisteret RO -systemoptimering og planlægning
Med den udbredte vedtagelse af datavidenskab inkorporerer mange industrielle RO -systemer AI -algoritmer, såsom neurale netværk og maskinindlæringsmodeller, for intelligent at identificere og optimere membranforureningstyper, driftsparametre og energiforbrugstendenser.

3. Genbrug af affaldsmembraner og cirkulære økonomipiloter
EU's "Rewamem -projekt" kemisk renser og oparbejdes affald RO -membraner, der konverterer dem til lave - tryknanofiltreringsmembraner eller MBR -membranmoduler til spildevandsforbehandling eller vanding af vandforbrugssystemer. Dette projekt opnår over 80% membranressourceindvinding og driver RO -industriens overgang mod lav - carbon, bæredygtig udvikling.