تاريخ تطور أغشية التناضح العكسي

1. اكتشاف التناضح وإدخال مفهوم الأغشية شبه القابلة للتقدير
إن تطور تكنولوجيا غشاء التناضح العكسي لا ينفصل عن فهم الظاهرة الطبيعية لـ "التناضح". في عام 1827 ، أثناء دراسة الخلايا النباتية ، لاحظ عالم الفسيولوجي الفرنسي Dutrochet أولاً ترحيل جزيئات الماء من خلال أغشية الخلايا من محلول تركيز منخفض- إلى محلول تركيز مرتفع-. تتركز هذه الظاهرة ، التي يتم تعريفها على أنها "التناضح" ، على وجود بنية نفاذية انتقائية ، SO- تسمى "الغشاء شبه القابل للعلاج". على الرغم من أن مواد الغشاء الاصطناعي لم يتم تطويرها بعد في هذا الوقت ، فقد وفرت تجارب Dutrochet الأساس النظري لفصل الغشاء.

2. إنشاء النموذج الديناميكي الحراري للضغط التناضحي

بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، اقترح الكيميائي الفيزيائي الهولندي Van 'T Hoff معادلة الضغط التناضحية الشهيرة في عام 1886: π=imrt ، حيث π هو الضغط التناضاز ، I هو عامل التفكك المذاب ، M هو التركيز المولي ، R هو ثابت الغاز ، ودرجة الحرارة الحرارية. جمعت هذه المعادلة ظاهرة التناضح مع نظرية الديناميكا الحرارية الكيميائية ، وللمرة الأولى ، قم بتقدير القوة الدافعة لعمليات الغشاء. يعتبر عمل Van 'T Hoff مكونًا مهمًا في الأسس الديناميكية الحرارية لهندسة فصل الغشاء ، وقد وفر أساسًا للمعلمات الرئيسية في تصميم عملية التناضح العكسي اللاحق.

3. ظهور البحوث الأولية على الأغشية الاصطناعية

في أوائل القرن العشرين ، أبلغ الباحث الألماني Bechhold لأول مرة في عام 1907 عن استخدام الأغشية المصنوعة من نترات السليلوز لفصل الجسيمات الغروية. أظهرت هذه الأغشية درجة معينة من القابلية للنقل. على الرغم من أن هذه التكنولوجيا كانت تستخدم في البداية في المقام الأول في الكيمياء التحليلية والتجارب البيولوجية ، إلا أن هذه الأغشية كانت تتمتع بالفعل بالخصائص الأساسية لحجم المسام القابل للتحكم وتدفق ، وتعتبر مقدمة لتصنيع تكنولوجيا الغشاء. تم استخدام أغشية Bechhold على نطاق واسع في التجارب الأساسية مثل فصل البروتين والاحتفاظ بالفيروسات ، والترويج بشكل غير مباشر للبحث وتوحيد الخواص الفيزيائية لمواد الغشاء (مثل توزيع حجم المسام ، والسماكة ، والقوة الهيكلية).

1. التطبيق الأول للتناضح العكسي
على الرغم من أن التناضح قد لوحظ منذ فترة طويلة ووصف نوعيًا ، لم يكن حتى القرن العشرين حتى القرن العشرين قد اكتشفوا كيفية عكس العملية. من خلال تطبيق ضغط خارجي أكبر من الضغط التناضحي على المحلول المركّز ، تهاجر جزيئات الماء من محلول تركيز عالي- إلى محلول تركيز منخفض. تُعرف هذه العملية باسم التناضح العكسي. وكانت أكبر التحديات التي تواجه التطور الأولي لأغشية التناضح العكسي هي اختيار المواد وتصميم هيكل الغشاء: تحقيق انتقائية كافية دون التضحية بالتدفق.

2. لوب ومتوريراخان اختراق الغشاء غير المتماثل (1959)
في عام 1959 ، طور لوب وشورينجان من جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، أول غشاء للتناضح العكسي في العالم. باستخدام طريقة انعكاس الطور ، قاموا بتصنيع غشاء خلات السليلوز بهيكل غير متماثل متميز. تُظهر طبقة سطح الغشاء ، التي يبلغ سمكها حوالي 0.2 إلى 0.5 ميكرون ، انتقائية عالية للغاية. يوفر الهيكل المسامي الأساسي الدعم الميكانيكي ويقلل من مقاومة التدفق. يحقق هذا الغشاء غير المتماثل معدل رفض الملح يصل إلى 98 ٪ وتدفق من عشرات لتر لكل متر مربع في الساعة ، ويضع الأساس للتطبيقات الصناعية اللاحقة.

3. مشروع الحكومة الأمريكية ومصنع UCLA التجريبي

قام المكتب الأمريكي للمياه المالحة بتمويل هذا البحث في أواخر الخمسينيات وأنشأ أول مصنع لتحلية مياه البحر التجريبية. أنتج هذا النظام ، باستخدام غشاء RO غير المتماثل ، 14 طنًا من المياه العذبة يوميًا. على الرغم من أن هذا الإنجاز لا يزال كبيرًا نسبيًا ومكلفًا ، إلا أن هذا الإنجاز أظهر لأول مرة أن تقنية RO لم تكن مجدية من الناحية النظرية فحسب ، بل يمكن تحقيقها أيضًا على نطاق عملي ، مما يؤدي إلى التطبيق العملي لفصل الغشاء في معالجة المياه.

1. تطوير لوحة - و -
نظرًا لأن مواد غشاء التناضح العكسي أصبحت أكثر استقرارًا ، فإن تحسين بنية الغشاء كمكون للجهاز أصبح ضروريًا للتنمية الصناعية. في عام 1969 ، قدمت DuPont عنصر غشاء الجرح B- 9 spiral -. سمح هذا التصميم بمنطقة غشاء أكبر ضمن حجم محدود ، مما يؤدي إلى تحسين قدرة معالجة النظام بشكل كبير وكفاءة الطاقة. بالمقارنة مع اللوحة التقليدية - و - ، توفر هياكل الإطارات ، وحدات الغشاء اللولبي العظمي كثافة غشاء حجمي أعلى ، وانخفاض الضغط المنخفض ، ومتطلبات الصيانة المنخفضة ، وسرعان ما أصبحت عامل الشكل السائد لتطبيقات RO الصناعية.

2. التوسع السريع في السوق الدولية
في عام 1970 ، أكملت Toray Industries ، اليابان ، أول خط إنتاج غشاء التناضح العكسي في آسيا ، مما يمثل بداية توسع تقنية RO في منطقة آسيا - المحيط الهادئ. كانت الشركة رائدة في تطبيق تكنولوجيا فصل الغشاء في إنتاج المياه الفائقة للإلكترونيات ، وتركيز الأغذية والمشروبات ، وإعادة استخدام مياه الصرف الصحي ، وقيادة التطورات السريعة في أداء المواد الغشائية وتكامل الأجهزة في جميع أنحاء المنطقة.

3. التحقق من التطبيق العسكري الأمريكي: وحدات RO المتنقلة
من عام 1965 إلى عام 1968 ، تعاونت البحرية الأمريكية مع فريق لوب لتطوير وحدة تحديد مياه البحر المتنقلة (MSDU). يمكن نشر هذه الوحدة على السفن ، وفي القواعد الأمامية ، وفي البيئات القاسية إلى مياه البحر. لم يثبت هذا المشروع جدوى أنظمة RO في أماكن الإغاثة العسكرية والكوارث فحسب ، بل قام أيضًا بتسهيل النشر اللاحق لوحدات RO في الموانئ والمدن التي تعاني من نقص المياه والجزر الخارجية.

1. اختراق كبير في بنية مادة الغشاء: غشاء مركب TFC
في عام 1980 ، اقترح Cadotte غشاء مركب من البولي أميد العطرية (مركب فيلم رفيع ، TFC) ملفقة باستخدام البلمرة البينية. يتكون هذا الغشاء من ثلاث طبقات: طبقة دعم النسيج غير المنسوجة ، وطبقة متوسطة polysulfone المسامية ، وطبقة سطح بولي أميد رقيقة -. طبقة سطح البولي أميد ، فقط بضع مئات من النانومترات ، تظهر رفض الملح الممتاز. هذا الهيكل لا يحسن بشكل كبير تدفق الغشاء والانتقائية ولكنه يسمح أيضًا بتكييف أداء الغشاء لمصادر مياه محددة ، مما يصبح العمارة القياسية لمواد غشاء RO اللاحقة.

2. التسويق: تطبيق واسع النطاق لسلسلة DOW FilmTec ™
في عام 1982 ، أطلقت شركة Dow Chemical Company العلامة التجارية "FilmTec ™" لأغشية RO ، بما في ذلك النماذج التمثيلية مثل BW30 و SW30. وقد استخدمت هذه الأغشية ، التي تتميز بمقاومة عالية ، التدفق العالي ، وحياة التشغيل المستقرة ، على نطاق واسع في صناعات مثل إمدادات المياه البلدية ، وتحلل المياه البحرية ، والإلكترونيات ، وأشباه الموصلات ، والأطعمة والمشروبات ، والمواد الكيميائية ، وتأسيس الوضع المهيمن لأغشية TFC في السوق.

3. مشروع عرض كبير-
في عام 1990 ، شيدت هيئة المياه في مقاطعة أورانج في كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، مصنع المياه 21 ، الذي يستخدم نظام RO لتوفير معالجة عالية الجودة- لمياه الصرف الصحي البلدية. يخضع هذا النظام بعد ذلك معالجة متقدمة مع إشعاع الأشعة فوق البنفسجية والكربون المنشط ، مما يؤدي إلى شرب الماء غير المباشر من المياه المعاد تدويره. هذا يمثل أول مقياس كبير ناجح في العالم - "شرب الخمر - معاد تدويره" ، مما يمثل انتقالًا كبيرًا لتكنولوجيا RO من معالجة المياه الصناعية إلى أمن مياه الشرب.

1. anti - قاذفة وتطوير أغشية nano -
لطالما كانت قاذورات الغشاء عقبة رئيسية أمام تشغيل مصطلح - على مصطلح تقنية RO. لتحسين قدرات غشاء مضادات القسرة ، يقدم الباحثون المواد النانوية مثل Tio₂ و ZnO و Ag في سطح الغشاء. هذه المواد تنقل خصائص التصاق البيولوجية المضادة لـ - والتحلل الضوئي للمواد العضوية ، مما يمتد بشكل كبير من حياة الغشاء التشغيلية. على سبيل المثال ، طورت جامعة Nanyang التكنولوجية في سنغافورة غشاء TFC مع قدرات التنظيف ذاتية التحفيز الضوئي - من خلال - situ tio₂.

2. انخفاض كبير في استهلاك طاقة تحلية المياه: أجهزة استرداد الطاقة PX
يسترد مبادل PX Pressure (PX) الذي تم إطلاقه بواسطة Energy Recovery Inc. الضغط المتبقي من محلول ملحي إلى جانب المدخل ، مما يقلل من استهلاك الطاقة المحدد لأنظمة RO من 6 - 8 كيلو وات ساعة/متر مكعب إلى 2-3 كيلو واط/ساعة/متر مكعب. يستخدم هذا الجهاز على نطاق واسع في مشاريع تحلية المياه على نطاق واسع في بلدان مثل إسرائيل والمملكة العربية السعودية ، مما يجعل RO تقنية تحلية المياه السائدة في جميع أنحاء العالم.

3. أنظمة التحكم الأتمتة والتحكم الذكي
تم تجهيز أنظمة RO الكبيرة - بنظام إدارة تلقائي على أساس PLC (التحكم المنطقي القابل للبرمجة) ونظام SCADA ، مما يتيح جمع الوقت - والتحكم في البيانات مثل الجودة المؤثرة ، وتدفق الغشاء ، والضغط التفاضلي ، ومؤشر التلوث. تتضمن بعض الأنظمة خوارزميات AI - المدعومة للتنبؤ باتجاهات قاذورات الغشاء وبدء تنبيهات التنظيف مسبقًا ، مما يتيح تشغيل "غير مراقب".

1. تقدم البحث على أغشية أكسيد الجرافين (GO)
بدأ فريق GEIM (جامعة مانشستر) في استكشاف خصائص الغرق الجزيئي لأغشية GO في عام 2013. والأغشية GO لها طبقة واحدة - ، بنية - الأبعاد ويمكنها تحقيق تدفقات أعلى من 10 إلى 100 مرة من الأغشية التقليدية. يمكنهم أيضًا تحقيق فصل دقيق عن طريق ضبط تباعد الطبقة البينية. تشمل التطبيقات المحتملة تحلية مياه البحر ، وفصل المعادن الثقيلة ، وقيمة عالية- - معالجة الحلول المضافة. على الرغم من أنها لم يتم تسويقها بالكامل بعد ، إلا أنها تعتبر مرشحًا رئيسيًا للجيل القادم من مواد غشاء الأداء العالية-.

2. AI - تحسين نظام RO
مع اعتماد علوم البيانات على نطاق واسع ، تدمج العديد من أنظمة RO الصناعية خوارزميات الذكاء الاصطناعى ، مثل الشبكات العصبية ونماذج التعلم الآلي ، لتحديد أنواع تلوث الغشاء وتحسينها بذكاء ، ومعلمات التشغيل ، واتجاهات استهلاك الطاقة.

3. إعادة استخدام أغشية النفايات والطيارين الاقتصاديين الدائري
ينظف "مشروع Rewamem" للاتحاد الأوروبي وتنظيف أغشية RO ، وتحويلها إلى أغشية ترشيح نانوية منخفضة- أو وحدات غشاء MBR لأنظمة معالجة مياه الصرف أو إعادة استخدام مياه الري. يحقق هذا المشروع أكثر من 80 ٪ من استرداد موارد الغشاء ، مما يؤدي إلى انتقال صناعة RO نحو التنمية المستدامة المنخفضة-.