Apakah Membran Osmosis Songsang dan Bagaimana Ia Berfungsi?

A membran osmosis terbalik (RO). ialah penghalang penapisan separa telap yang menyingkirkan bahan cemar terlarut daripada air dengan memaksanya melalui lapisan polimer padat di bawah tekanan. Ia menolak sehingga 99% garam terlarut, logam berat, bakteria, virus dan bahan cemar lain sambil membenarkan molekul air melalui — menghasilkan air yang lebih bersih daripada kebanyakan sumber air paip dan botol. Ia merupakan komponen fungsi teras bagi mana-mana sistem penapisan osmosis songsang, sama ada digunakan dalam unit bawah sinki rumah, loji penyahgaraman industri atau proses penulenan farmaseutikal.

Tidak seperti penapis mekanikal yang menyekat zarah secara fizikal mengikut saiz, membran RO berfungsi pada tahap molekul — liang-liangnya lebih kurang 0.0001 mikron (0.1 nanometer) diameter, kira-kira 500,000 kali lebih kecil daripada rambut manusia. Ini menjadikannya berkesan terhadap bahan cemar yang melalui penapis karbon dan membran ultraturasan secara bebas.

Sains Di Sebalik Cara Membran Osmosis Songsang Berfungsi

Untuk memahami osmosis songsang, ia membantu untuk memahami osmosis biasa dahulu. Dalam osmosis semula jadi, air bergerak secara spontan melalui membran separa telap dari kawasan kepekatan zat terlarut rendah ke kawasan kepekatan zat terlarut tinggi, menyamakan kepekatan pada kedua-dua belah. Tekanan yang mendorong pergerakan semula jadi ini dipanggil tekanan osmotik.

Osmosis songsang menggunakan tekanan luaran yang lebih besar daripada tekanan osmosis untuk memaksa air ke arah yang bertentangan — dari bahagian pekat (tercemar) ke bahagian cair (bersih). Membran membenarkan molekul air melalui tetapi menolak ion terlarut, molekul dan zarah yang terlalu besar atau terlalu bercas elektrik untuk dilalui.

Untuk air paip perbandaran biasa, tekanan osmotik adalah rendah — sekitar 5–15 PSI. Sistem RO untuk kegunaan rumah beroperasi di 50–80 PSI , jauh melebihi ambang ini. Sistem penyahgaraman air laut mesti mengatasi tekanan osmotik 350–600 PSI, itulah sebabnya sistem RO industri memerlukan pam tekanan tinggi.

Dua Aliran Output

Setiap membran RO menghasilkan dua aliran air secara serentak:

• Meresap (air produk): Air tulen yang telah melalui membran, biasanya mengandungi kurang daripada 1% daripada pepejal terlarut asal.
• Pekat (tolak atau air garam): Baki air yang membawa bahan cemar yang ditolak, yang disiram ke longkang. Dalam sistem kediaman, kadar pemulihan biasa adalah 50–75% — bermakna 1–3 liter air dilepaskan untuk setiap liter air tulen yang dihasilkan.

Membran dan sistem RO kecekapan tinggi moden dengan pam resapan atau reka bentuk gelung tertutup boleh mencapai kadar pemulihan melebihi 80%, dengan ketara mengurangkan sisa air berbanding reka bentuk lama.

Struktur Fizikal Membran Osmosis Songsang

Istilah "membran RO" boleh merujuk kepada sama ada lapisan berfungsi nipis itu sendiri atau elemen membran lengkap — bentuk pembungkusan di mana membran dijual dan dipasang. Memahami perbezaan adalah penting apabila membandingkan spesifikasi.

Struktur Lapisan Komposit Filem Nipis (TFC).

Hampir semua membran RO moden digunakan Komposit Filem Nipis (TFC) pembinaan, yang terdiri daripada tiga lapisan berbeza yang diikat bersama:

1. Web sokongan poliester (~120 µm tebal): Lapisan asas struktur yang memberikan kekuatan mekanikal. Ia tidak mengambil bahagian dalam penapisan tetapi menghalang membran daripada koyak di bawah tekanan.
2. Interlayer polysulfone mikroliang (~40 µm tebal): Lapisan perantaraan seperti span yang menyediakan substrat seragam untuk lapisan aktif sambil membenarkan laluan air yang agak bebas.
3. Lapisan aktif poliamida (~0.2 µm tebal): Penghalang penapisan sebenar, dibentuk oleh pempolimeran antara muka m-phenylenediamine dan trimesoyl chloride. Lapisan ini mengandungi liang berskala nano yang menolak bahan cemar terlarut. Walaupun hanya 200 nanometer tebal, ia bertanggungjawab pada dasarnya semua prestasi pemisahan membran.

Membran TFC menggantikan membran selulosa asetat (CA) yang lebih lama dalam kebanyakan aplikasi kerana ia menawarkan kadar penolakan yang lebih tinggi (98–99.7% berbanding 85–95%), toleransi pH yang lebih luas (2–11 berbanding 4–8), dan hayat perkhidmatan yang lebih lama . Had utama mereka ialah kepekaan terhadap klorin bebas, yang merendahkan lapisan poliamida - itulah sebabnya pra-penapisan karbon adalah penting dalam sistem air perbandaran berklorin.

Konfigurasi Elemen Lingkaran Luka

Untuk memaksimumkan luas permukaan membran dalam perumahan padat, membran TFC dikilangkan ke dalam unsur-unsur lingkaran-luka . Kepingan membran rata dilaminasi dengan pengatur jarak jaringan dan dililit rapat di sekeliling tiub pengumpulan berlubang tengah, seperti skrol yang digulung. Elemen kediaman standard 75 GPD (gelen sehari) dengan perumahan 1.8" × 12" mengandungi lebih kurang 0.5–0.7 m² kawasan membran aktif . Unsur industri bersaiz penuh 4" × 40" mengandungi 7–10 m².

Air suapan mengalir secara paksi di sepanjang bahagian luar skrol melalui pengatur mesh; air yang disucikan meresap melalui membran dan berpilin ke dalam ke arah tiub pengumpulan pusat; air tolak pekat keluar dari hujung unsur.

Perkara yang Mencemarkan yang Dibuang oleh Membran Osmosis Songsang

Membran RO menolak bahan cemar melalui dua mekanisme: pengecualian saiz (molekul secara fizikal terlalu besar untuk melalui liang) dan penolakan caj (ion terlarut ditolak oleh permukaan poliamida bercas negatif). Kadar penolakan berbeza mengikut jenis pencemar, suhu, tekanan dan keadaan membran.

Satu had penting: Membran RO tidak berkesan mengeluarkan gas terlarut (CO₂, radon, hidrogen sulfida) kerana molekul gas cukup kecil untuk melalui struktur polimer. Kloramin dan beberapa racun perosak dengan berat molekul yang kecil juga menunjukkan kadar penolakan yang berkurangan berbanding pepejal terlarut yang lebih besar.

Jenis Membran Osmosis Songsang dan Penggunaannya

Membran RO dihasilkan dalam beberapa konfigurasi yang dioptimumkan untuk sumber air, julat tekanan dan keperluan output yang berbeza.

Membran Air Payau

Jenis yang paling biasa untuk kegunaan komersil kediaman dan ringan. Direka untuk air suapan dengan TDS (Jumlah Pepejal Terlarut) sebanyak 500–10,000 mg/L , beroperasi pada 50–200 PSI. Sistem RO rumah standard menggunakan membran air payau yang dinilai pada 50–100 GPD. Membran ini mencapai penolakan garam sebanyak 96–99% di bawah keadaan ujian (25°C, 250 PSI, 2,000 mg/L suapan NaCl).

Membran Air Laut

Kejuruteraan untuk air suapan dengan TDS melebihi 10,000 mg/L (purata air laut 35,000 mg/L). Membran ini mempunyai lapisan aktif yang lebih padat yang dicapai 99.3–99.8% penolakan garam tetapi memerlukan tekanan operasi 600–1,200 PSI. Ia digunakan secara eksklusif dalam loji penyahgaraman berskala besar dan tidak boleh ditukar ganti dengan membran air payau.

Membran Bertenaga Rendah / Aliran Tinggi

Kategori yang lebih baharu direka bentuk untuk menyampaikan fluks resapan yang lebih tinggi pada tekanan operasi yang lebih rendah — biasanya 45–60 PSI untuk permohonan kediaman. Membran ini mengorbankan sejumlah kecil prestasi penolakan (95–97% berbanding 97–99%) sebagai pertukaran untuk kadar pengeluaran yang lebih pantas dan penggunaan tenaga yang lebih rendah. Mereka semakin digunakan dalam sistem RO "segera" tanpa tangki.

Membran Penapisan Nano (NF).

Secara teknikalnya kategori berasingan tetapi berkait rapat, membran NF mempunyai liang yang lebih besar sedikit daripada membran RO (0.001 mikron lwn. 0.0001 mikron). Mereka beroperasi pada tekanan yang lebih rendah dan melepasi ion monovalen (natrium, klorida) sambil menolak ion divalen (kalsium, magnesium) dan molekul organik. NF biasanya digunakan untuk pelembutan air dan penyingkiran organik di mana penyahgaraman penuh tidak diperlukan.

Spesifikasi Prestasi Utama dan Maksudnya

Apabila menilai atau membandingkan membran RO, beberapa spesifikasi yang diterbitkan secara langsung memberi kesan kepada prestasi sistem dalam keadaan dunia sebenar.

Ambil perhatian bahawa GPD yang dinilai dan angka penolakan diukur pada keadaan ujian standard: 77°F (25°C), tekanan suapan 60–65 PSI, dan air suapan NaCl 500 mg/L . Prestasi dunia sebenar akan berbeza — air sejuk (di bawah 60°F) boleh mengurangkan keluaran sebanyak 40–50%, dan tekanan suapan rendah (di bawah 40 PSI) mengurangkan pengeluaran dan penolakan dengan ketara.

Faktor Yang Merosot Prestasi Membran RO Dari Masa ke Masa

Membran RO yang diselenggara dengan baik dalam sistem yang direka dengan betul harus bertahan 2–5 tahun dalam kegunaan kediaman dan 3–7 tahun dalam aplikasi komersial. Beberapa keadaan mempercepatkan degradasi:

Pendedahan Klorin dan Kloramin

Klorin bebas mengoksidakan lapisan aktif poliamida, menyebabkan lubang jarum mikroskopik yang secara beransur-ansur mengurangkan penolakan garam. Malah pendedahan di 0.1 ppm klorin berterusan akan merendahkan membran TFC secara terukur dalam tempoh 6–12 bulan. Pra-penapis blok karbon mesti diganti mengikut jadual - biasanya setiap 6-12 bulan - untuk mengekalkan perlindungan klorin yang mencukupi.

Penskalaan (Pengumpulan Deposit Mineral)

Kalsium karbonat, barium sulfat, dan silika boleh memendakan pada permukaan membran apabila air tertumpu dalam aliran penolakan. Penskalaan mengurangkan fluks resapan dan meningkatkan keperluan tekanan operasi. Air keras dengan TDS di atas 500 mg/L menimbulkan risiko penskalaan yang tinggi. Dos anti-scalant atau pra-rawatan pelembut air mengurangkan ini dalam aplikasi kekerasan tinggi.

Biofouling

Bakteria menjajah permukaan membran dan membentuk biofilm yang menyekat aliran meresap dan memperkenalkan pencemaran biologi. Biofouling dipercepatkan oleh air bertakung (sistem dibiarkan tidak digunakan untuk tempoh yang lama), pra-penapisan yang tidak mencukupi, dan suhu air suapan suam melebihi 30°C. Membersihkan sistem setiap 6–12 bulan dengan disinfektan yang selamat untuk makanan menghalang pengumpulan biofilm yang ketara.

Kerosakan Fizikal daripada Pancang Tekanan

Kejadian tukul air — lonjakan tekanan secara tiba-tiba daripada penutupan injap atau permulaan pam — boleh mengubah bentuk elemen membran secara fizikal. Tekanan suapan secara konsisten melebihi tekanan terkadar maksimum membran ( biasanya 100–120 PSI untuk membran kediaman ) memampatkan struktur elemen secara tidak boleh balik, mengurangkan saluran aliran dan prestasi.

Cara Mengetahui Bila Membran RO Anda Perlu Ditukar

Tidak seperti penapis sedimen atau karbon yang menunjukkan tanda-tanda keletihan yang boleh dilihat, membran RO yang merendahkan memerlukan pengukuran untuk menilai dengan tepat. Bergantung pada masa sahaja (cth., "ganti setiap 2 tahun") adalah anggaran kasar. Ini adalah penunjuk yang boleh dipercayai:

• TDS yang meningkat dalam resapan: Penunjuk paling langsung. Ukur air suapan dan serap TDS dengan meter TDS yang murah. Kadar penolakan di bawah 85% dalam sistem dengan pra-penapis berfungsi dengan betul biasanya menunjukkan degradasi membran. Membran baru harus menunjukkan penolakan 95-99%.
• Kadar pengeluaran berkurangan dengan ketara: Jika sistem yang sebelum ini mengisi tangki simpanannya dalam 2-3 jam kini mengambil masa 6-8 jam dengan tekanan dan suhu suapan yang tidak berubah, fluks membran telah menurun disebabkan oleh kekotoran atau kemerosotan fizikal.
• Peningkatan nisbah saliran kepada produk: Jika aliran penolakan mengalir lebih cepat berbanding dengan resapan berbanding semasa sistem baharu, rintangan membran telah meningkat — selalunya merupakan tanda penskalaan atau biofouling.
• Perubahan rasa atau bau dalam air produk: Kemerosotan secara tiba-tiba dalam rasa atau kembalinya bau klorin selepas karbon selepas penapisan boleh menunjukkan pecah membran yang membenarkan air yang tidak dirawat memintas penapisan.

Memilih Membran RO yang Tepat untuk Aplikasi Anda

Memilih penggantian atau peningkatan membran melibatkan pemadanan spesifikasi membran dengan sumber air, reka bentuk sistem dan keperluan output anda. Senarai semak berikut merangkumi kriteria pemilihan kritikal:

1. Ukur TDS air suapan anda. Jika TDS air paip anda di bawah 2,000 mg/L (biasa untuk air perbandaran), membran air payau standard adalah sesuai. Air perigi melebihi 2,000 mg/L mungkin mendapat manfaat daripada varian membran penolakan tinggi.
2. Periksa tekanan air suapan anda. Sistem yang berjalan pada tekanan rendah (35–50 PSI) harus menggunakan membran tenaga rendah yang dinilai untuk julat tersebut. Membran standard pada tekanan rendah akan kurang menghasilkan dan menunjukkan penolakan yang berkurangan.
3. Padankan saiz membran dengan perumahan anda. Membran kediaman datang dalam saiz standard: 1.8" × 12" (paling biasa untuk sistem 5 peringkat bawah sinki) dan 1.8" × 11.75" untuk sesetengah sistem padat. Elemen industri 4" × 40" dan 4" × 21" tidak boleh ditukar ganti dengan perumahan kediaman.
4. Pilih kapasiti pengeluaran (GPD) berdasarkan permintaan isi rumah. Sebuah keluarga yang terdiri daripada 4 orang yang menggunakan sistem RO untuk minum dan memasak biasanya memerlukan 50–100 GPD . Sistem tanpa tangki memerlukan membran berkadar lebih tinggi (200 GPD) untuk menghantar air atas permintaan tanpa penyimpanan.
5. Sahkan keserasian dengan bahan cemar khusus anda yang membimbangkan. Jika arsenik, fluorida atau nitrat menjadi kebimbangan utama, pilih membran dengan data penolakan yang diperakui untuk bahan cemar tertentu tersebut - Pensijilan Standard 58 NSF/ANSI memerlukan ujian terhadap senarai bahan cemar tertentu.

Untuk kegunaan kediaman, membran diperakui untuk NSF/ANSI 58 telah diuji dan disahkan secara bebas untuk kedua-dua tuntutan keselamatan bahan dan pengurangan bahan cemar. Pensijilan ini ialah jaminan prestasi dunia sebenar yang paling boleh dipercayai dan harus menjadi keperluan minimum apabila memilih mana-mana membran RO untuk kegunaan air minuman.