Làm thế nào để kích thước lỗ nhỏ giúp màng RO đạt được sự khử mặn nước biển?

1. Kích thước lỗ chân lông cực kỳ nhỏ: Thang đo chính xác của thế giới siêu nhỏ
Kích thước lỗ chân lông của Màng RO có thể được gọi là thang đo chính xác cuối cùng trong thế giới siêu nhỏ. Thông thường, kích thước lỗ rỗng của nó chỉ khoảng 0,0001 micron, nhỏ đến mức gần như không thể tưởng tượng được. Để cảm nhận quy mô này bằng trực giác hơn, chúng ta có thể so sánh nó với các chất thông thường. Hầu hết các loại virus có đường kính giữa 0,02 đến 0,3 micron và kích thước lỗ rỗng của màng RO nhỏ hơn nhiều so với hầu hết các loại virus. Với kích thước lỗ nhỏ như vậy, chỉ có các phân tử rất nhỏ như phân tử nước có cơ hội đi qua.
Đường kính của một phân tử nước là khoảng 0,276 nanomet. So sánh, đường kính của muối trong nước biển, chẳng hạn như các cặp ion natri clorua, khoảng 0,5 nanomet và kích thước của các vi sinh vật như Escherichia coli thậm chí ở cấp Micron. Sự khác biệt kích thước khổng lồ này làm cho màng RO giống như một siêu sàng được thiết kế tốt trong quá trình khử mặn nước biển. Muối và tạp chất không thể đi qua các micropores trên màng do kích thước lớn của chúng, trong khi các phân tử nước có thể dễ dàng đi qua các kênh micropore này và chuyển từ phía nước biển sang phía nước ngọt do kích thước nhỏ của chúng.
Từ quan điểm của các nguyên tắc vật lý, cơ chế sàng lọc này dựa trên sự khác biệt về kích thước phù hợp với cơ học chất lỏng và lý thuyết khuếch tán phân tử. Khi nước biển chảy qua màng RO dưới áp suất bên ngoài, các phân tử nước tuân theo định luật chuyển động Brown dưới áp lực và tìm và đi qua các lỗ chân lông trên thang đo vi mô. Tuy nhiên, muối và tạp chất không thể tham gia vào "hành trình băng qua" hiển vi này vì kích thước của chúng vượt quá phạm vi lỗ chân lông và bị chặn hiệu quả. Hiệu ứng sàng lọc chính xác này cung cấp sự đảm bảo cơ bản nhất cho việc khử mặn nước biển và là một trong những yếu tố chính để màng RO trở thành "màn hình" chính xác.

2. Thành phần độc đáo của vật liệu: Cơ sở vật liệu của cấu trúc vi mô
Lý do tại sao cấu trúc vi mô của màng RO có thể chính xác là không thể tách rời với các đặc điểm độc đáo của các vật liệu polymer tạo thành nó. Có nhiều loại vật liệu polymer tạo thành màng RO, trong đó polyamide, cellulose acetate, vv là các vật liệu phổ biến hơn. Các vật liệu polymer này có cấu trúc hóa học độc đáo và tính chất vật lý, cung cấp một cơ sở vật liệu để xây dựng các cấu trúc vi mô chính xác.
Lấy các màng tổng hợp polyamide làm ví dụ, chúng thường bao gồm một lớp tách hoạt động polyamide cực mỏng và lớp hỗ trợ. Lớp phân tách hoạt động polyamide là phần cốt lõi để đạt được sự phân tách muối và tạp chất. Nó tạo thành một cấu trúc vi mô cực kỳ mịn trên bề mặt của lớp hỗ trợ thông qua các công nghệ tiên tiến như trùng hợp giao thoa. Bản thân vật liệu polyamide có độ ổn định hóa học tốt và độ bền cơ học, và có thể chịu được các áp lực và hiệu ứng hóa học khác nhau trong quá trình khử muối trong khi vẫn duy trì sự ổn định của cấu trúc vi mô.
Trong cấu trúc vi mô của lớp phân tách hoạt động polyamide, các chuỗi phân tử tương tác với nhau thông qua các liên kết cộng hóa trị và liên kết hydro, tạo thành một sự sắp xếp chặt chẽ và có trật tự. Sự sắp xếp này không chỉ xác định kích thước lỗ rỗng và sự phân bố của màng, mà còn ảnh hưởng đến ái lực và lực đẩy của màng với các chất khác nhau. Ví dụ, một số nhóm chức năng trên chuỗi phân tử polyamide, chẳng hạn như các nhóm amide, có một số phân cực nhất định và có thể tạo thành liên kết hydro với các phân tử nước, do đó thúc đẩy việc truyền các phân tử nước trong lỗ chân lông của màng. Đối với các ion muối tích điện, sự phân bố điện tích trên bề mặt của màng polyamide sẽ tạo ra lực đẩy tĩnh điện, ngăn ngừa muối đi qua các lỗ chân lông.
Màng cellulose acetate cũng có tính chất vi cấu trúc độc đáo. Cellulose acetate là một dẫn xuất cellulose chứa một số lượng lớn các nhóm hydroxyl và acetyl trong cấu trúc phân tử của nó. Các nhóm chức năng này cung cấp cho màng cellulose acetate tính ưa nước và chọn lọc tốt. Ở quy mô kính hiển vi, các phân tử cellulose acetate tương tác thông qua các lực Van der Waals liên phân tử và liên kết hydro để tạo thành một cấu trúc màng với kích thước lỗ rỗng và độ xốp cụ thể. Cấu trúc này có thể ngăn chặn muối và tạp chất trong nước biển một cách hiệu quả trong khi cho phép các phân tử nước đi qua để đạt được sự khử muối của nước biển.

3. Hình thái phức tạp của bề mặt siêu nhỏ: "Địa hình gồ ghề" của thế giới siêu nhỏ
Ở quy mô kính hiển vi, bề mặt của màng RO không bằng phẳng và mịn màng, mà là một địa hình phức tạp đầy các rãnh và lỗ chân lông nhỏ. Hình thái bề mặt phức tạp này giúp tăng cường khả năng của màng RO hoạt động như một "sàng" chính xác.
Các micropores trên bề mặt của màng RO không phải là các lỗ tròn đơn giản, mà có hình dạng phức tạp và phân bố không đều. Các micropores này có thể là hình elip, đa giác hoặc thậm chí một số hình dạng không đều khó mô tả. Hơn nữa, sự phân phối của chúng trên bề mặt màng không đồng đều, mà là ngẫu nhiên. Hình dạng và phân phối không đều này làm tăng khó khăn cho muối và tạp chất đi qua các lỗ chân lông.
Khi muối và tạp chất cố gắng đi qua các lỗ chân lông, chúng không chỉ phải đối mặt với giới hạn của kích thước lỗ rỗng, mà còn cả những thách thức do hình dạng và phân phối của lỗ chân lông màng. Do tính không đều của lỗ chân lông, muối và tạp chất có thể bị chặn khi tiếp cận các lỗ chân lông vì chúng không thể khớp hoàn hảo với lỗ chân lông màng. Ví dụ, một hạt keo có hình dạng không đều có thể bị chặn khi cố gắng đi qua lỗ rỗng màng hình elip vì một số phần của hạt không thể đi qua phần hẹp của lỗ rỗng màng.
Ngoài ra, các rãnh và lỗ chân lông hiển vi trên bề mặt của màng RO cũng ảnh hưởng đến dòng chảy và khuếch tán các phân tử nước trên bề mặt màng. Trước khi đi qua các lỗ chân lông, các phân tử nước cần khuếch tán và di chuyển đến một mức độ nhất định trên bề mặt màng. Hình thái phức tạp của bề mặt màng có thể làm tăng diện tích tiếp xúc giữa các phân tử nước và bề mặt màng, thúc đẩy sự khuếch tán của các phân tử nước, và do đó làm tăng thông lượng nước của màng. Đồng thời, hình thái bề mặt phức tạp này cũng giúp giảm sự lắng đọng muối và tạp chất trên bề mặt màng, làm giảm nguy cơ ô nhiễm màng và đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của màng RO.

4. Hiệu ứng hiệp đồng của cấu trúc vi mô: Hiệu quả tổng thể của "màn hình" chính xác
Cấu trúc vi mô của màng RO không phải là một sự bổ sung đơn giản của từng thành phần, mà thông qua hiệu ứng hiệp đồng của kích thước lỗ rỗng cực kỳ mịn, thành phần độc đáo của vật liệu và hình thái phức tạp của bề mặt kính hiển vi, nó đã tạo ra hiệu quả mạnh mẽ của nó như là một "màn hình" chính xác.
Kích thước nhỏ của kích thước lỗ rỗng cung cấp hàng rào vật lý cơ bản nhất cho sự tách biệt giữa các phân tử nước và muối và tạp chất. Cấu trúc hóa học độc đáo và tính chất vật lý của vật liệu xác định tính chọn lọc và độ ổn định của màng, cho phép màng RO duy trì hiệu suất tốt trong môi trường nước biển phức tạp. Hình thái phức tạp của bề mặt kính hiển vi giúp tăng cường khả năng tách và hiệu suất chống ô nhiễm của màng.
Trong quá trình khử mặn thực tế, các yếu tố vi cấu trúc này hợp tác với nhau và làm việc cùng nhau. Khi nước biển chảy vào màng RO dưới áp lực, trước hết, muối và tạp chất ban đầu bị chặn trên bề mặt màng do sự khác biệt rất lớn về kích thước và lỗ chân lông màng. Sau đó, các tính chất hóa học của vật liệu và phân phối điện tích bề mặt hấp phụ hoặc đẩy lùi muối và tạp chất, ngăn chặn chúng đi qua các lỗ chân lông. Đồng thời, các phân tử nước khuếch tán và di chuyển trong địa hình phức tạp của bề mặt màng, tìm và đi qua các lỗ chân lông và đạt được sự chuyển từ nước biển sang nước ngọt.