中文简体A membrana de osmoză inversă (RO). este o barieră de filtrare semi-permeabilă care îndepărtează contaminanții dizolvați din apă forțând-o printr-un strat dens de polimer sub presiune. Respinge până la 99% din sărurile dizolvate, metalele grele, bacteriile, virușii și alți contaminanți permițând în același timp trecerea moleculelor de apă - producând apă care este mai curată decât majoritatea surselor de apă de la robinet și îmbuteliată. Este componenta funcțională de bază a oricărui sistem de filtrare cu osmoză inversă, indiferent dacă este utilizat într-o unitate de sub chiuvetă de acasă, o instalație industrială de desalinizare sau un proces de purificare farmaceutică.
Spre deosebire de filtrele mecanice care blochează fizic particulele după dimensiune, o membrană RO funcționează la nivel molecular - porii săi sunt aproximativ 0,0001 microni (0,1 nanometri) în diametru, de aproximativ 500.000 de ori mai mic decât un păr uman. Acest lucru îl face eficient împotriva contaminanților care trec liber prin filtrele de carbon și membranele de ultrafiltrare deopotrivă.
Știința din spatele modului în care funcționează o membrană de osmoză inversă
Pentru a înțelege osmoza inversă, vă ajută să înțelegeți mai întâi osmoza obișnuită. În osmoza naturală, apa se deplasează spontan printr-o membrană semi-permeabilă dintr-o regiune cu concentrație scăzută de dizolvat într-o regiune cu concentrație mare de dizolvat, egalând concentrația pe ambele părți. Presiunea care conduce această mișcare naturală se numește presiune osmotică.
Osmoza inversă aplică o presiune externă mai mare decât presiunea osmotică a forța apa în direcția opusă — de la partea concentrată (contaminată) la partea diluată (curată). Membrana permite trecerea moleculelor de apă, dar respinge ionii dizolvați, moleculele și particulele care sunt prea mari sau prea încărcate electric pentru a trece.
Pentru apa municipală tipică de la robinet, presiunea osmotică este scăzută - în jur de 5-15 PSI. Sistemele RO pentru uz casnic functioneaza la 50-80 PSI , cu mult peste acest prag. Sistemele de desalinizare a apei de mare trebuie să depășească presiunile osmotice de 350–600 PSI, motiv pentru care sistemele industriale RO necesită pompe de înaltă presiune.
Cele două fluxuri de ieșire
Fiecare membrană RO produce două fluxuri de apă simultan:
- Permeat (apă produsă): Apa purificată care a trecut prin membrană, care conține de obicei mai puțin de 1% din solidele dizolvate inițiale.
- Concentrat (reject sau saramură): Apa rămasă care transportă contaminanții respinși, care este spălată pentru a se scurge. În sistemele rezidențiale, ratele tipice de recuperare sunt 50–75% — adică 1–3 litri de apă sunt evacuați pentru fiecare litru de apă purificată produs.
Membranele moderne de înaltă eficiență RO și sistemele cu pompe de permeat sau design cu buclă închisă pot atinge rate de recuperare de peste 80%, reducând semnificativ risipa de apă în comparație cu modelele mai vechi.
Structura fizică a unei membrane de osmoză inversă
Termenul „membrană RO” se poate referi fie la stratul funcțional subțire în sine, fie la elementul complet de membrană - forma ambalată în care membranele sunt vândute și instalate. Înțelegerea diferenței contează atunci când se compară specificațiile.
Structura stratului de compozit cu peliculă subțire (TFC).
Aproape toate membranele moderne RO folosesc Compozit cu peliculă subțire (TFC) construcție, constând din trei straturi distincte legate între ele:
- Pânză suport din poliester (~120 µm grosime): Stratul de bază structural care oferă rezistență mecanică. Nu participă la filtrare, dar previne ruperea membranei sub presiune.
- Strat intermediar de polisulfonă microporoasă (~40 µm grosime): Un strat intermediar asemănător unui burete care asigură un substrat uniform pentru stratul activ, permițând în același timp trecerea relativ liberă a apei.
- Strat activ de poliamidă (~0,2 µm grosime): Bariera de filtrare propriu-zisă, formată prin polimerizarea interfacială a m-fenilendiaminei și clorurii de trimesoil. Acest strat conține porii la scară nanometrică care resping contaminanții dizolvați. În ciuda faptului că are o grosime de numai 200 de nanometri, este responsabilă de toată performanța de separare a membranei.
Membranele TFC au înlocuit membranele mai vechi de acetat de celuloză (CA) în majoritatea aplicațiilor, deoarece oferă rate mai mari de respingere (98–99,7% față de 85–95%), toleranță mai mare la pH (2–11 față de 4–8) și durată de viață mai lungă . Principala lor limitare este sensibilitatea la clorul liber, care degradează stratul de poliamidă - motiv pentru care prefiltrarea carbonului este esențială în sistemele de apă clorurate municipale.
Configurația elementului spiralat
Pentru a maximiza suprafața membranei într-o carcasă compactă, membranele TFC sunt fabricate elemente înfăşurate în spirală . Foile cu membrană plate sunt laminate cu distanțiere din plasă și înfășurate strâns în jurul unui tub de colectare perforat central, ca un sul rulat. Un element rezidențial standard de 75 GPD (galloni pe zi) cu o carcasă de 1,8" × 12" conține aproximativ 0,5–0,7 m² de suprafață a membranei active . Un element industrial de dimensiune completă de 4" × 40" conține 7–10 m².
Apa de alimentare curge axial de-a lungul exteriorului volutei prin distanțierele de plasă; apa purificată pătrunde prin membrană și se îndreaptă spre interior, spre tubul central de colectare; apa de evacuare concentrată iese de la capătul elementului.
Ce contaminanți îndepărtează o membrană de osmoză inversă
Membranele RO resping contaminanții prin două mecanisme: excluderea mărimii (molecula este fizic prea mare pentru a trece prin por) și repulsie a sarcinii (ionii dizolvați sunt respinși de suprafața poliamidă încărcată negativ). Ratele de respingere variază în funcție de tipul de contaminant, temperatură, presiune și starea membranei.
| Categoria de contaminant | Exemple | Rata tipică de respingere a RO |
|---|---|---|
| Săruri dizolvate (monovalente) | Sodiu, potasiu, clorură | 92–96% |
| Săruri dizolvate (divalente) | Calciu, magneziu, sulfat | 97–99% |
| Metale grele | Plumb, arsenic, crom, cadmiu | 95–99% |
| Nitrați și fluor | Nitrați, nitriți, fluor | 85–95% |
| Microorganisme | Bacterii, virusuri, chisturi (Giardia, Cryptosporidium) | >99,9% |
| Produse farmaceutice și hormoni | Estrogen, antibiotice, ibuprofen | 94–99% |
| PFAS (substanțe chimice pentru totdeauna) | PFOA, PFOS | 90–99% |
| Gaze dizolvate | CO₂, hidrogen sulfurat | Scăzut (gazele trec liber) |
O limitare importantă: membranele RO nu elimină eficient gazele dizolvate (CO₂, radon, hidrogen sulfurat) deoarece moleculele de gaz sunt suficient de mici pentru a trece prin structura polimerului. Cloraminele și unele pesticide cu greutăți moleculare mici prezintă, de asemenea, rate reduse de respingere în comparație cu solidele dizolvate mai mari.
Tipuri de membrane de osmoză inversă și aplicațiile lor
Membranele RO sunt fabricate în mai multe configurații optimizate pentru diferite surse de apă, intervale de presiune și cerințe de ieșire.
Membrane de apă salmară
Cel mai comun tip pentru uz rezidențial și comercial ușor. Conceput pentru apa de alimentare cu TDS (solide dizolvate totale) de 500–10.000 mg/L , funcționând la 50–200 PSI. Sistemele standard de RO pentru casă folosesc membrane de apă salmară evaluate la 50-100 GPD. Aceste membrane realizează o respingere a sării de 96–99% în condiții de testare (25°C, 250 PSI, 2.000 mg/L NaCl alimentare).
Membrane de apă de mare
Proiectat pentru apă de alimentare cu TDS peste 10.000 mg/L (apa de mare este în medie de 35.000 mg/L). Aceste membrane au un strat activ mai dens care realizează 99,3–99,8% respingere de sare dar necesită presiuni de funcționare de 600–1.200 PSI. Ele sunt utilizate exclusiv în instalațiile de desalinizare la scară largă și nu sunt interschimbabile cu membranele de apă salmară.
Membrane cu energie scăzută/debit mare
O categorie mai nouă concepută pentru a furniza un flux de permeat mai mare la presiuni de operare mai mici - de obicei 45-60 PSI pentru aplicații rezidențiale. Aceste membrane sacrifică o cantitate mică de performanță de respingere (95–97% față de 97–99%) în schimbul unor rate de producție mai rapide și un consum mai mic de energie. Sunt din ce în ce mai folosiți în sistemele RO „instantanee” fără rezervor.
Membrane de nanofiltrare (NF).
Din punct de vedere tehnic, o categorie separată, dar strâns legată, membranele NF au pori puțin mai mari decât membranele RO (0,001 microni față de 0,0001 microni). Aceștia funcționează la presiuni mai mici și trec ioni monovalenți (sodiu, clorură) în timp ce resping ionii divalenți (calciu, magneziu) și moleculele organice. NF este utilizat în mod obișnuit pentru dedurizarea apei și îndepărtarea organică acolo unde nu este necesară desalinizarea completă.
Specificații cheie de performanță și ce înseamnă acestea
Atunci când se evaluează sau se compară membranele RO, mai multe specificații publicate au un impact direct asupra performanței sistemului în condiții reale.
| Caietul de sarcini | Definiție | Valoare rezidențială tipică |
|---|---|---|
| Capacitate nominală (GPD) | Galoane de permeat produse pe zi în condițiile de testare | 50–600 GPD |
| Rata de respingere a sării (%) | % de NaCl (sau TDS) eliminat în condiții standard de testare | 96–99% |
| Rata de recuperare (%) | % din apa de alimentare transformată în permeat (față de respinsă în scurgere) | 50–75% (la nivel de sistem) |
| Interval de presiune de operare | Interval de presiune de alimentare pentru performanța nominală | 40-100 PSI |
| Temperatura maxima de functionare | Limita superioară a temperaturii apei de alimentare înainte de deteriorarea membranei | 45°C (113°F) |
| toleranta la pH | Interval acceptabil de pH al apei de alimentare în timpul funcționării | 2–11 (TFC); 4–8 (CA) |
| Toleranta la clor | Expunere continuă maximă la clor liber | <0,1 ppm (TFC); 1 ppm (CA) |
Rețineți că GPD-ul nominal și cifrele de respingere sunt măsurate în condiții standard de testare: 77°F (25°C), presiunea de alimentare 60–65 PSI și 500 mg/L apă de alimentare NaCl . Performanța în lumea reală va diferi — apa rece (sub 60°F) poate reduce producția cu 40–50%, iar presiunea scăzută de alimentare (sub 40 PSI) reduce semnificativ atât producția, cât și respingerea.
Factori care degradează performanța membranei RO în timp
O membrană RO bine întreținută într-un sistem proiectat corespunzător ar trebui să reziste 2–5 ani în uz rezidențial și 3–7 ani în aplicații comerciale. Mai multe condiții accelerează degradarea:
Expunerea la clor și cloramină
Clorul liber oxidează stratul activ de poliamidă, provocând găuri microscopice care reduc progresiv respingerea sării. Chiar și expunerea la 0,1 ppm clor continuu va degrada în mod măsurabil o membrană TFC în decurs de 6-12 luni. Prefiltrele cu bloc de carbon trebuie înlocuite la timp - de obicei la fiecare 6-12 luni - pentru a menține o protecție adecvată împotriva clorului.
Scalare (acumularea de depozite minerale)
Carbonatul de calciu, sulfatul de bariu și silice pot precipita pe suprafața membranei pe măsură ce apa se concentrează în fluxul de evacuare. Scalare reduce fluxul de permeat și crește cerințele de presiune de funcționare. Apă dură cu TDS deasupra 500 mg/L prezintă un risc crescut de scalare. Dozarea anti-calcantă sau pretratarea dedurizatorului de apă atenuează acest lucru în aplicațiile cu duritate ridicată.
Biofouling
Bacteriile colonizează suprafața membranei și formează biofilme care blochează fluxul de permeat și introduc contaminarea biologică. Biofouling-ul este accelerat de apa stagnantă (sisteme rămase neutilizate pentru perioade îndelungate), prefiltrarea inadecvată și temperaturile calde ale apei de alimentare peste 30°C. Igienizarea sistemului la fiecare 6-12 luni cu un dezinfectant sigur pentru alimente previne acumularea semnificativă de biofilm.
Daune fizice cauzate de vârfurile de presiune
Evenimentele ciocanului de arie – supratensiuni bruște de presiune de la închiderea supapei sau pornirea pompei – pot deforma fizic elementul membranei. Presiunea de alimentare depășește constant presiunea nominală maximă a membranei ( de obicei 100–120 PSI pentru membrane rezidențiale ) comprimă ireversibil structura elementului, reducând canalele de curgere și performanța.
Cum să știți când membrana dvs. RO trebuie înlocuită
Spre deosebire de filtrele de sedimente sau de carbon care prezintă semne vizibile de epuizare, o membrană RO degradată necesită măsurare pentru a fi evaluată cu precizie. A te baza doar pe timp (de exemplu, „înlocuiește la fiecare 2 ani”) este o aproximare grosieră. Aceștia sunt indicatorii de încredere:
- Creșterea TDS în permeat: Cel mai direct indicator. Măsurați apa de alimentare și pătrundeți TDS cu un contor TDS ieftin. O rată de respingere mai jos 85% într-un sistem cu prefiltre care funcționează corespunzător indică de obicei degradarea membranei. Membranele noi ar trebui să prezinte 95-99% de respingere.
- Rata de producție redusă semnificativ: Dacă un sistem care și-a umplut anterior rezervorul de stocare în 2-3 ore acum durează 6-8 ore cu presiunea și temperatura de alimentare neschimbate, fluxul membranei a scăzut din cauza murdării sau degradării fizice.
- Raport crescut de scurgere la produs: Dacă fluxul de refuz curge mult mai rapid în raport cu permeatul decât atunci când sistemul era nou, rezistența membranei a crescut - adesea un semn de detartrare sau de încrustare biologică.
- Modificări ale gustului sau mirosului în apa produsă: O deteriorare bruscă a gustului sau o revenire a mirosului de clor după postfiltrarea carbonului poate indica o ruptură a membranei care permite apei netratate să ocolească filtrarea.
Selectarea membranei RO potrivite pentru aplicația dvs
Alegerea unei membrane de înlocuire sau de modernizare implică potrivirea specificațiilor membranei cu sursa de apă, designul sistemului și nevoile de ieșire. Următoarea listă de verificare acoperă criteriile critice de selecție:
- Măsurați TDS-ul apei de alimentare. Dacă TDS-ul apei dvs. de la robinet este sub 2.000 mg/L (tipic pentru apa municipală), este adecvată o membrană standard de apă salmară. Apa de puț peste 2.000 mg/L poate beneficia de o variantă de membrană cu respingere ridicată.
- Verificați presiunea apei de alimentare. Sistemele care funcționează la presiune joasă (35–50 PSI) ar trebui să utilizeze o membrană cu energie scăzută, evaluată pentru intervalul respectiv. Membranele standard la presiune scăzută vor produce subproducție și vor prezenta respingere redusă.
- Potriviți dimensiunea membranei cu carcasa dvs. Membranele rezidențiale vin în dimensiuni standard: 1,8" × 12" (cel mai comun pentru sistemele cu 5 trepte sub chiuvetă) și 1,8" × 11,75" pentru unele sisteme compacte. Elementele industriale de 4" × 40" și 4" × 21" nu sunt interschimbabile cu carcasele rezidențiale.
- Alegeți capacitatea de producție (GPD) în funcție de cererea gospodăriilor. O familie de 4 persoane care utilizează un sistem RO pentru băut și gătit are nevoie de obicei 50–100 GPD . Un sistem fără rezervor necesită o membrană cu rating mai mare (200 GPD) pentru a furniza apă la cerere, fără depozitare.
- Confirmați compatibilitatea cu contaminanții dvs. specifici de îngrijorare. Dacă arsenul, fluorura sau nitrații sunt preocupări principale, selectați o membrană cu date de respingere certificate pentru acei contaminanți specifici - certificarea NSF/ANSI Standard 58 necesită testarea pe listele specifice de contaminanți.
Pentru uz rezidențial, membrane certificate pentru NSF/ANSI 58 au fost testate și verificate în mod independent atât pentru siguranța materialelor, cât și pentru afirmațiile privind reducerea contaminanților. Această certificare este cea mai fiabilă asigurare a performanței în lumea reală și ar trebui să fie o cerință minimă atunci când selectați orice membrană RO pentru utilizarea apei potabile.
