چگونه اندازه منافذ کوچک به غشای RO کمک می کند تا آب شیرین کن آب دریا باشد؟

1. اندازه منافذ بسیار ریز: مقیاس دقیق دنیای میکروسکوپی
اندازه منافذ غشای می توان مقیاس دقیق نهایی را در دنیای میکروسکوپی نامید. معمولاً اندازه منافذ آن فقط در حدود 0.0001 میکرون است که آنقدر کوچک است که تقریباً غیرقابل تصور است. برای اینکه این مقیاس را بطور شهودی تر احساس کنیم ، می توانیم آن را با مواد مشترک مقایسه کنیم. بیشتر ویروس ها قطر بین 0.02 تا 0.3 میکرون دارند و اندازه منافذ غشای RO بسیار کوچکتر از اکثر ویروس ها است. با چنین اندازه منافذ کوچک ، فقط مولکول های بسیار کوچکی مانند مولکول های آب شانس عبور از آن را دارند.
قطر یک مولکول آب در حدود 0.276 نانومتر است. در مقایسه ، قطر نمک در آب دریا ، مانند جفت یون کلرید سدیم ، حدود 0.5 نانومتر است و اندازه میکروارگانیسم هایی مانند اشرشیاکلی حتی در سطح میکرون است. این اختلاف اندازه بزرگ باعث می شود غشای RO مانند یک غربال فوق العاده طراحی شده در فرآیند آب شیرین کن آب دریا باشد. نمک و ناخالصی ها به دلیل اندازه زیاد آنها نمی توانند از میکروپورهای موجود در غشاء عبور کنند ، در حالی که مولکول های آب می توانند به راحتی از این کانال های میکروپور عبور کنند و به دلیل اندازه کوچک آنها از سمت آب دریا به سمت آب شیرین منتقل شوند.
از منظر اصول فیزیکی ، این مکانیسم غربالگری بر اساس تفاوت اندازه با مکانیک سیالات و نظریه انتشار مولکولی سازگار است. هنگامی که آب دریا از طریق غشای RO تحت فشار خارجی جریان می یابد ، مولکول های آب از قانون حرکت براون تحت فشار پیروی می کنند و از منافذ غشایی در مقیاس میکروسکوپی می یابند. با این حال ، نمک و ناخالصی ها نمی توانند در این "سفر عبور" میکروسکوپی شرکت کنند زیرا اندازه آنها از دامنه منافذ غشایی فراتر رفته و به طور مؤثر رهگیری می شود. این اثر غربالگری دقیق اساسی ترین ضمانت برای آب شیرین کن آب دریا را فراهم می کند و یکی از عناصر اصلی برای غشاهای RO برای تبدیل شدن به "صفحه های" دقیق است.

2. ترکیب منحصر به فرد از مواد: اساس مواد ریزساختار
دلیل اینکه ریزساختار غشای RO بسیار دقیق است ، از ویژگی های منحصر به فرد مواد پلیمری که آن را تشکیل می دهند ، جدا نیست. انواع مختلفی از مواد پلیمری وجود دارد که غشاهای RO را تشکیل می دهند ، از جمله آنها پلی آمید ، سلولز استات و غیره مواد رایج تر هستند. این مواد پلیمری دارای ساختارهای شیمیایی منحصر به فرد و خصوصیات فیزیکی هستند و پایه ای برای ساخت ریزساختارهای دقیق ایجاد می کنند.
با استفاده از غشاهای کامپوزیت پلی آمید به عنوان نمونه ، آنها معمولاً از یک لایه جداسازی فعال پلی آمید فوق العاده نازک و یک لایه پشتیبانی تشکیل شده اند. لایه جداسازی فعال پلی آمید بخش اصلی برای دستیابی به جداسازی نمک و ناخالصی ها است. این یک ساختار ریز و درشت بسیار ریز بر روی سطح لایه پشتیبانی از طریق فن آوری های پیشرفته مانند پلیمریزاسیون بین سطحی تشکیل می دهد. ماده پلی آمید به خودی خود از پایداری شیمیایی و استحکام مکانیکی خوبی برخوردار است و می تواند در حالی که پایداری ریزساختار را حفظ می کند ، در برابر فشارهای مختلف و اثرات شیمیایی در فرآیند آب شیرین کن مقاومت کند.
در ریزساختار لایه جداسازی فعال پلی آمید ، زنجیره های مولکولی از طریق پیوندهای کووالانسی و پیوندهای هیدروژن با یکدیگر در تعامل هستند و یک ترتیب محکم و منظم را تشکیل می دهند. این ترتیب نه تنها اندازه منافذ و توزیع غشای را تعیین می کند ، بلکه بر میل و دافع غشاء به مواد مختلف نیز تأثیر می گذارد. به عنوان مثال ، برخی از گروه های عملکردی در زنجیره مولکولی پلی آمید ، مانند گروه های آمید ، قطبیت خاصی دارند و می توانند پیوندهای هیدروژن را با مولکول های آب تشکیل دهند و از این طریق انتقال مولکول های آب در منافذ غشایی را ترویج می کنند. برای یونهای نمکی شارژ شده ، توزیع بار در سطح غشای پلی آمید باعث دفع الکترواستاتیک می شود و بیشتر از عبور نمک از منافذ غشایی جلوگیری می کند.
غشای استات سلولز همچنین دارای خواص ریزساختاری منحصر به فرد هستند. استات سلولز یک مشتق سلولز است که حاوی تعداد زیادی از گروه های هیدروکسیل و استیل در ساختار مولکولی آن است. این گروه های عملکردی غشاهای سلولز استات را آبگریز و انتخاب خوبی می دهند. در مقیاس میکروسکوپی ، مولکولهای استات سلولز از طریق نیروهای بین مولکولی ون در والس و پیوندهای هیدروژن در تعامل هستند تا یک ساختار غشایی با اندازه و تخلخل منافذ خاص تشکیل دهند. این ساختار می تواند به طور موثری نمک و ناخالصی های موجود در آب دریا را مسدود کند در حالی که به مولکول های آب اجازه می دهد تا برای دستیابی به آب شیرین کن آب دریا عبور کنند.

3. مورفولوژی پیچیده سطح میکروسکوپی: "زمین ناهموار" دنیای میکروسکوپی
در مقیاس میکروسکوپی ، سطح غشای RO صاف و صاف نیست ، اما یک زمین پیچیده و پر از شیارها و منافذ ریز را نشان می دهد. این مورفولوژی سطح پیچیده باعث افزایش توانایی غشای RO در عمل به عنوان "الک" دقیق می شود.
میکروپورها روی سطح غشای RO سوراخ های دایره ای ساده نیستند ، اما دارای شکل های پیچیده و توزیع نامنظم هستند. این ریزگردها ممکن است بیضوی ، چند ضلعی یا حتی برخی از اشکال نامنظم باشند که توصیف آن دشوار است. علاوه بر این ، توزیع آنها بر روی سطح غشای یکنواخت نیست ، بلکه تصادفی است. این شکل و توزیع نامنظم باعث افزایش مشکل نمک و ناخالصی ها در منافذ غشایی می شود.
هنگامی که نمک و ناخالصی ها سعی می کنند از منافذ غشایی عبور کنند ، آنها نه تنها با محدودیت اندازه منافذ روبرو می شوند ، بلکه چالش های ناشی از شکل و توزیع منافذ غشایی نیز دارند. با توجه به بی نظمی منافذ غشایی ، ممکن است هنگام نزدیک شدن به منافذ غشایی ، نمک و ناخالصی ها مسدود شوند زیرا آنها نمی توانند کاملاً با منافذ غشایی مطابقت داشته باشند. به عنوان مثال ، یک ذرات کلوئیدی به شکل نامنظم ممکن است هنگام تلاش برای عبور از یک منافذ غشای بیضوی رهگیری شود زیرا برخی از قسمت های ذرات نمی توانند از قسمت باریک منافذ غشای عبور کنند.
علاوه بر این ، شیارهای میکروسکوپی و منافذ روی سطح غشای RO نیز بر جریان و انتشار مولکول های آب در سطح غشای تأثیر می گذارد. قبل از عبور از منافذ غشایی ، مولکول های آب باید در سطح غشایی تا حدی پراکنده و مهاجرت کنند. مورفولوژی پیچیده سطح غشای می تواند سطح تماس بین مولکول های آب و سطح غشای را افزایش دهد ، انتشار مولکول های آب را ترویج کند و در نتیجه شار آب غشای را افزایش دهد. در عین حال ، این مورفولوژی سطح پیچیده همچنین به کاهش رسوب نمک و ناخالصی ها بر روی سطح غشای ، کاهش خطر آلودگی غشاء و اطمینان از عملکرد پایدار طولانی مدت غشای RO کمک می کند.

4. اثر هم افزایی ریزساختار: راندمان کلی "صفحه"
ریزساختار غشای RO یک افزودنی ساده از هر مؤلفه نیست ، بلکه از طریق اثر هم افزایی اندازه منافذ بسیار ریز ، ترکیب منحصر به فرد از مواد و مورفولوژی پیچیده سطح میکروسکوپی ، به طور مشترک راندمان قدرتمند خود را به عنوان یک "صفحه نمایش" ایجاد کرده است.
اندازه ریز اندازه منافذ اساسی ترین سد فیزیکی برای جداسازی بین مولکول های آب و نمک و ناخالصی ها را فراهم می کند. ساختار شیمیایی منحصر به فرد و خصوصیات فیزیکی مواد ، انتخاب و پایداری غشای را تعیین می کند و به غشای RO اجازه می دهد تا عملکرد خوبی را در یک محیط پیچیده آب دریا حفظ کند. مورفولوژی پیچیده سطح میکروسکوپی باعث افزایش توانایی جداسازی و عملکرد ضد آلودگی غشاء می شود.
در فرآیند نمک زدایی واقعی ، این عناصر ریزساختاری با یکدیگر همکاری می کنند و با هم همکاری می کنند. هنگامی که آب دریا تحت فشار به غشای RO جریان می یابد ، اول از همه ، نمک و ناخالصی ها به دلیل تفاوت زیاد در اندازه و منافذ غشایی ، در سطح غشاء قرار می گیرند. سپس ، خواص شیمیایی مواد و توزیع بار سطح ، نمک و ناخالصی ها را دفع می کند ، و بیشتر آنها را از عبور از منافذ غشایی جلوگیری می کند. در عین حال ، مولکول های آب در توپوگرافی پیچیده سطح غشای پراکنده و مهاجرت می کنند ، از منافذ غشایی می یابند و عبور می کنند و به انتقال از آب دریا به آب شیرین می رسند. $ $