Hanes Datblygu pilenni osmosis gwrthdroi RO

1. Darganfod osmosis a chyflwyno'r cysyniad o bilenni semipermeable
Mae datblygu technoleg pilen osmosis gwrthdroi yn anwahanadwy oddi wrth y ddealltwriaeth o ffenomen naturiol "osmosis." Yn 1827, wrth astudio celloedd planhigion, arsylwodd ffisiolegydd Ffrainc Dutrochet yn gyntaf ymfudiad moleciwlau dŵr trwy bilenni celloedd o doddiant crynodiad isel i doddiant crynodiad uchel. Mae'r ffenomen hon, a ddiffinnir fel "osmosis," wedi'i chanoli ar fodolaeth strwythur athraidd detholus, yr hyn a elwir yn "bilen semipermeable." Er nad oedd deunyddiau pilen artiffisial wedi'u datblygu ar yr adeg hon eto, roedd arbrofion Dutrochet yn darparu sail ddamcaniaethol ar gyfer gwahanu pilen.

2. Sefydlu'r model thermodynamig pwysau osmotig

Erbyn diwedd y 19eg ganrif, cynigiodd fferyllydd corfforol yr Iseldiroedd Van 't Hoff yr hafaliad pwysau osmotig enwog ym 1886: π=imrt, lle π yw'r pwysau osmotig, i yw'r ffactor daduniad hydoddyn, m yw'r crynodiad molar, r yw'r cysonyn nwy. Roedd yr hafaliad hwn yn cyfuno ffenomen osmosis â theori thermodynameg gemegol, ac am y tro cyntaf meintiolodd rym gyrru prosesau pilen. Mae gwaith Van 'T Hoff yn cael ei ystyried yn rhan bwysig o sylfeini thermodynamig peirianneg gwahanu pilen ac yn darparu sylfaen ar gyfer paramedrau allweddol yn y dyluniad proses osmosis gwrthdroi dilynol.

3. Eginiad ymchwil ragarweiniol ar bilenni artiffisial

Yn gynnar yn yr 20fed ganrif, adroddodd yr ysgolhaig Almaeneg Bechhold gyntaf ym 1907 y defnydd o bilenni wedi'u gwneud o seliwlos nitrad ar gyfer gwahanu gronynnau colloidal. Roedd y pilenni hyn yn arddangos rhywfaint o semipermeability. Er bod y dechnoleg hon wedi'i defnyddio i ddechrau yn bennaf mewn cemeg ddadansoddol ac arbrofion biolegol, roedd gan y pilenni hyn eisoes briodweddau sylfaenol maint mandwll a fflwcs y gellir ei reoli, ac fe'u hystyrir yn rhagflaenydd i ddiwydiannu technoleg pilen. Defnyddiwyd pilenni Bechhold yn helaeth mewn arbrofion sylfaenol megis gwahanu protein a chadw firws, gan hyrwyddo ymchwil a safoni priodweddau ffisegol deunydd pilen yn anuniongyrchol (megis dosbarthiad maint mandwll, trwch, a chryfder strwythurol).

1. Cymhwyso'r cyntaf o osmosis i'r gwrthwyneb
Er bod osmosis wedi cael ei arsylwi a'i ddisgrifio'n ansoddol ers amser maith, dim ond tan ganol yr 20fed ganrif y darganfu gwyddonwyr sut i wyrdroi'r broses. Trwy gymhwyso gwasgedd allanol sy'n fwy na'r pwysau osmotig ar y toddiant dwys, mae moleciwlau dŵr yn mudo o doddiant crynodiad uchel i doddiant crynodiad isel. Gelwir y broses hon yn osmosis gwrthdroi. Yr heriau mwyaf a wynebwyd yn natblygiad cychwynnol pilenni osmosis gwrthdroi oedd dewis materol a dyluniad strwythur pilen: cyflawni digon o ddetholusrwydd heb aberthu fflwcs.

2. Loeb a Breakthrough pilen anghymesur Sourirajan (1959)
Ym 1959, datblygodd Loeb a Sourirajan o Brifysgol California, Los Angeles, bilen osmosis gwrthdroi hyfyw diwydiannol cyntaf y byd. Gan ddefnyddio dull gwrthdroad cyfnod, fe wnaethant lunio pilen asetad seliwlos gyda strwythur anghymesur penodol. Mae haen wyneb y bilen, tua 0.2 i 0.5 micron o drwch, yn arddangos detholusrwydd uchel iawn. Mae'r strwythur hydraidd sylfaenol yn darparu cefnogaeth fecanyddol ac yn lleihau ymwrthedd llif. Mae'r bilen anghymesur hon yn cyflawni cyfradd gwrthod halen o hyd at 98% a fflwcs o ddegau o litrau fesul metr sgwâr yr awr, gan osod y sylfaen ar gyfer cymwysiadau diwydiannol dilynol.

3. Prosiect Llywodraeth yr UD a ffatri beilot UCLA

Ariannodd Swyddfa Dŵr halwynog yr UD yr ymchwil hon ar ddiwedd y 1950au a sefydlu'r gwaith dihalwyno dŵr y môr arbrofol cyntaf. Cynhyrchodd y system hon, gan ddefnyddio pilen RO anghymesur, 14 tunnell o ddŵr croyw y dydd. Er ei fod yn dal yn gymharol fawr a chostus i'w weithredu, dangosodd y cyflawniad hwn am y tro cyntaf bod technoleg RO nid yn unig yn ddichonadwy yn ddamcaniaethol ond hefyd yn gyraeddadwy ar raddfa ymarferol, gan arwain at gymhwyso gwahanu pilen mewn trin dŵr yn ymarferol.

1. Datblygu modiwlau pilen plât-a-ffrâm a throellog
Wrth i ddeunyddiau pilen osmosis gwrthdroi ddod yn fwy sefydlog, roedd optimeiddio strwythur pilen wrth i gydran ddyfais ddod yn hanfodol ar gyfer datblygu diwydiannol. Ym 1969, cyflwynodd Dupont yr elfen bilen clwyf troellog B-9. Roedd y dyluniad hwn yn caniatáu ar gyfer ardal bilen fwy o fewn cyfaint gyfyngedig, gan wella gallu prosesu system yn sylweddol ac effeithlonrwydd ynni. O'i gymharu â strwythurau plât-a-ffrâm traddodiadol, mae modiwlau pilen clwyf troellog yn cynnig dwysedd ardal pilen gyfeintiol uwch, gostyngiad pwysau is, a gofynion cynnal a chadw is, gan ddod yn ffactor ffurf prif ffrwd yn gyflym ar gyfer cymwysiadau diwydiannol RO.

2. Ehangu'r Farchnad Ryngwladol yn gyflym
Ym 1970, cwblhaodd Toray Industries, Japan, linell gynhyrchu pilen osmosis gwrthdroi masnachol cyntaf Asia, gan nodi dechrau ehangu Technoleg RO yn rhanbarth Asia-Môr Tawel. Arloesodd y cwmni gymhwyso technoleg gwahanu pilen wrth gynhyrchu dŵr ultrapure ar gyfer electroneg, crynodiad bwyd a diod, ac ailddefnyddio dŵr gwastraff, gan yrru datblygiadau cyflym mewn perfformiad deunydd pilen ac integreiddio dyfeisiau ar draws y rhanbarth.

3. Gwirio Cais Milwrol yr Unol Daleithiau: Unedau RO symudol
Rhwng 1965 a 1968, cydweithiodd Llynges yr UD â thîm Loeb i ddatblygu uned dihalwyno dŵr y môr symudol (MSDU). Gellid defnyddio'r uned hon ar longau, mewn canolfannau ymlaen, ac mewn amgylcheddau llym i ddihalwyno dŵr y môr. Roedd y prosiect hwn nid yn unig yn dangos ymarferoldeb systemau RO mewn lleoliadau rhyddhad milwrol a thrychineb ond hefyd yn hwyluso defnyddio unedau RO wedi hynny mewn porthladdoedd, dinasoedd â phrinder dŵr, ac ynysoedd pellennig.

1. Breheprough mawr yn strwythur deunydd pilen: pilen gyfansawdd TFC
Ym 1980, cynigiodd Cadotte bilen gyfansawdd polyamid aromatig (cyfansawdd ffilm denau, TFC) wedi'i ffugio gan ddefnyddio polymerization rhyngwynebol. Mae'r bilen hon yn cynnwys tair haen: haen cynnal ffabrig heb ei gwehyddu, haen ganolraddol polysulfone hydraidd, a haen arwyneb polyamid ultra-denau. Mae'r haen wyneb polyamid, dim ond ychydig gannoedd o nanometrau o drwch, yn arddangos gwrthod halen rhagorol. Mae'r strwythur hwn nid yn unig yn gwella fflwcs a detholusrwydd pilen yn sylweddol ond mae hefyd yn caniatáu ar gyfer teilwra perfformiad pilen i ffynonellau dŵr penodol, gan ddod yn bensaernïaeth safonol ar gyfer deunyddiau pilen RO dilynol.

2. Masnacheiddio: Cymhwyso Cyfres Dow FilmTec ™ yn eang
Ym 1982, lansiodd Dow Chemical Company frand "FilmTec ™" o bilenni RO, gan gynnwys modelau cynrychioliadol fel y BW30 a SW30. Mae'r pilenni hyn, a nodweddir gan wrthwynebiad baeddu uchel, fflwcs uchel, a bywyd gweithredu sefydlog, wedi'u defnyddio'n helaeth mewn diwydiannau fel cyflenwad dŵr trefol, dihalwyno dŵr y môr, electroneg a lled -ddargludyddion, bwyd a diodydd, a chemegau, gan sefydlu safle trech pilenni TFC yn y farchnad.

3. Prosiect Arddangos ar Raddfa Fawr: Ffatri Dŵr Sirol Orange 21
Yn 1990, adeiladodd Awdurdod Dŵr Sirol Orange yng Nghaliffornia, UDA, ffatri ddŵr 21, sy'n defnyddio system RO i ddarparu triniaeth o ansawdd uchel ar gyfer dŵr gwastraff trefol. Yna mae'r system hon yn cael triniaeth uwch gydag ymbelydredd UV a charbon wedi'i actifadu, gan arwain at yfed dŵr wedi'i ailgylchu yn anuniongyrchol. Roedd hyn yn nodi prosiect "dŵr wedi'i ailgylchu gradd yfed graddfa" gyntaf y byd, gan nodi'r trawsnewidiad sylweddol o dechnoleg RO o drin dŵr diwydiannol i ddiogelwch dŵr yfed.

1. Gwrth-faeddu a datblygu pilenni wedi'u haddasu nano
Mae baeddu pilen bob amser wedi bod yn rhwystr mawr i weithrediad tymor hir technoleg RO. Er mwyn gwella galluoedd gwrthffowlio pilen, mae ymchwilwyr yn cyflwyno nanoddefnyddiau fel Tio₂, ZnO, ac Ag i mewn i wyneb y bilen. Mae'r deunyddiau hyn yn rhannu priodweddau adlyniad gwrth-fiolegol a dadelfennu ffotocatalytig deunydd organig, gan ymestyn bywyd gweithredu'r bilen yn sylweddol. Er enghraifft, mae Prifysgol Dechnolegol Nanyang yn Singapore wedi datblygu pilen TFC gyda galluoedd hunan-lanhau ffotocatalytig trwy ddopio tio₂ yn y fan a'r lle.

2. DEFNYDDIO DISGEMITION GOFNODION YN GYFLWYNO: Dyfeisiau Adfer Ynni PX
Mae'r cyfnewidydd pwysau PX (PX) a lansiwyd gan Energy Recovery Inc. yn gwella ac yn trosglwyddo pwysau gweddilliol o heli i'r ochr fewnfa, gan leihau'r defnydd o ynni penodol o systemau RO o'r 6-8 kWh/m³ cynharach i 2-3 kWh/m³. Defnyddir y ddyfais hon yn helaeth mewn prosiectau dihalwyno ar raddfa fawr mewn gwledydd fel Israel a Saudi Arabia, gan wneud RO yn dechnoleg dihalwyno prif ffrwd ledled y byd.

3. Systemau Awtomeiddio a Rheoli Deallus
Mae gan systemau RO ar raddfa fawr blatfform rheoli awtomataidd yn seiliedig ar System PLC (Rheoli Rhesymeg Rhaglenadwy) a SCADA, gan alluogi casglu a rheoli amser real ar ddata fel ansawdd dylanwadol, fflwcs pilen, pwysau gwahaniaethol, a mynegai halogi. Mae rhai systemau'n ymgorffori algorithmau â chymorth AI i ragfynegi tueddiadau baeddu pilen a chychwyn rhybuddion glanhau ymlaen llaw, gan alluogi gweithrediad "heb oruchwyliaeth".

1. Ymchwilio cynnydd ar bilenni graphene ocsid (GO)
Dechreuodd tîm GEIM (Prifysgol Manceinion) archwilio priodweddau ysbeilio moleciwlaidd pilenni GO yn 2013. Mae gan bilenni GO strwythur un haen, dau ddimensiwn a gallant gyflawni fflwcs 10 i 100 gwaith yn uwch na philenni traddodiadol. Gallant hefyd gyflawni gwahaniadau manwl gywir trwy addasu'r bylchau interlayer. Mae cymwysiadau posib yn cynnwys dihalwyno dŵr y môr, gwahanu metel trwm, a thriniaeth datrysiad ychwanegol gwerth uchel. Er nad ydynt wedi'u masnacheiddio'n llawn eto, fe'u hystyrir yn ymgeisydd allweddol ar gyfer y genhedlaeth nesaf o ddeunyddiau pilen perfformiad uchel.

2. Optimeiddio ac Amserlennu System RO gyda Chymorth AI
Gyda mabwysiadu gwyddoniaeth data yn eang, mae llawer o systemau RO diwydiannol yn ymgorffori algorithmau AI, megis rhwydweithiau niwral a modelau dysgu peiriannau, i nodi a gwneud y gorau o fathau baeddu pilen yn ddeallus, paramedrau gweithredu, a thueddiadau defnydd ynni.

3. Ailddefnyddio pilenni gwastraff a pheilotiaid economi gylchol
Mae "Prosiect Ail-enwi" yr UE yn glanhau ac yn ailbrosesu pilenni RO gwastraff, gan eu troi'n bilenni nanofiltration pwysedd isel neu fodiwlau pilen MBR ar gyfer systemau pretreatment dŵr gwastraff neu ailddefnyddio dŵr dyfrhau. Mae'r prosiect hwn yn cyflawni adferiad adnoddau pilen dros 80%, gan yrru trosglwyddiad y diwydiant RO tuag at ddatblygiad cynaliadwy carbon isel.