كيف يساعد حجم المسام الصغير في تحقيق تحلية مياه البحر؟

1. حجم المسام الصغير للغاية: مقياس الدقة للعالم المجهري
حجم مسام غشاء رو يمكن أن يسمى مقياس الدقة النهائية في العالم المجهري. عادةً ما يكون حجم المسام حوالي 0.0001 ميكرون ، وهو صغير جدًا بحيث لا يمكن تصوره تقريبًا. من أجل الشعور بهذا المقياس بشكل أكثر حدًا ، يمكننا مقارنته بالمواد الشائعة. تحتوي معظم الفيروسات على قطرها بين 0.02 و 0.3 ميكرون ، وحجم مسام غشاء RO أصغر بكثير من معظم الفيروسات. مع مثل هذا الحجم الصغير من المسام ، فإن الجزيئات الصغيرة جدًا مثل جزيئات الماء لديها فرصة للمرور.
يبلغ قطر جزيء الماء حوالي 0.276 نانومتر. بالمقارنة ، يبلغ قطر الملح في مياه البحر ، مثل أزواج أيون كلوريد الصوديوم ، حوالي 0.5 نانومتر ، وحجم الكائنات الحية الدقيقة مثل الإشريكية القولونية حتى على مستوى الميكرون. هذا الاختلاف الضخم في الحجم يجعل غشاء RO مثل غربال سوبر مصمم جيدًا في عملية تحلية مياه البحر. لا يمكن أن يمر الملح والشوائب عبر micropores على الغشاء بسبب حجمها الكبير ، في حين أن جزيئات الماء يمكن أن تمر بسهولة نسبيا عبر قنوات micropore هذه وتنقل من جانب مياه البحر إلى جانب المياه العذبة بسبب حجمها الصغير.
من منظور المبادئ المادية ، تتوافق آلية الفحص هذه القائمة على اختلافات الحجم مع ميكانيكا السوائل ونظرية الانتشار الجزيئي. عندما تتدفق مياه البحر عبر غشاء RO تحت الضغط الخارجي ، تتبع جزيئات الماء قانون الحركة البراونية تحت الضغط وتجد ومرح عبر مسام الغشاء على مقياس مجهري. ومع ذلك ، لا يمكن للملح والشوائب المشاركة في "رحلة العبور" المجهرية لأن حجمها يتجاوز نطاق مسام الغشاء ، ويتم اعتراضهم بشكل فعال. يوفر تأثير الفحص الدقيق هذا الضمان الأساسي لتحديد مياه البحر وهو أحد العناصر الرئيسية لأغشية RO لتصبح "شاشات" دقيقة.

2. تكوين فريد للمواد: أساس المواد المجهرية
إن السبب الذي يجعل البنية المجهرية لغشاء RO قد تكون دقيقة للغاية لا يمكن فصلها عن الخصائص الفريدة للمواد البوليمر التي تشكل ذلك. هناك العديد من أنواع مواد البوليمر التي تشكل أغشية RO ، من بينها البولياميد ، أسيتات السليلوز ، وما إلى ذلك هي مواد أكثر شيوعًا. هذه المواد البوليمر لها هياكل كيميائية فريدة وخصائص فيزيائية ، مما يوفر أساسًا ماديًا لبناء المجهرية الدقيقة.
أخذ الأغشية المركبة للبولي أميد كمثال ، فهي تتكون عادةً من طبقة فصل نشطة للبولي أميد وطبقة دعم. طبقة الفصل النشط للبولي أميد هي الجزء الأساسي لتحقيق فصل الملح والشوائب. إنه يشكل بنية دقيقة للغاية على سطح طبقة الدعم من خلال التقنيات المتقدمة مثل البلمرة البينية. تتمتع مادة البولي أميد نفسها باستقرار كيميائي جيد وقوة ميكانيكية ، ويمكنها تحمل الضغوط المختلفة والآثار الكيميائية في عملية تحلية المياه مع الحفاظ على استقرار البنية المجهرية.
في البنية المجهرية لطبقة الفصل النشط للبولي أميد ، تتفاعل السلاسل الجزيئية مع بعضها البعض من خلال الروابط التساهمية وروابط الهيدروجين ، وتشكيل ترتيب ضيق ومنظم. لا يحدد هذا الترتيب حجم المسام وتوزيع الغشاء فحسب ، بل يؤثر أيضًا على تقارب الغشاء ورفعه إلى مواد مختلفة. على سبيل المثال ، بعض المجموعات الوظيفية على السلسلة الجزيئية للبولي أميد ، مثل مجموعات أميد ، لها قطبية معينة ويمكن أن تشكل روابط هيدروجين مع جزيئات الماء ، وبالتالي تعزيز انتقال جزيئات الماء في مسام الغشاء. بالنسبة إلى أيونات الملح المشحونة ، فإن توزيع الشحنة على سطح غشاء البولي أميد سيؤدي إلى تنافر الإلكتروستاتيكي ، مما يمنع الملح من المرور عبر مسام الغشاء.
تحتوي أغشية خلات السليلوز أيضًا على خصائص مجهرية فريدة. أسيتات السليلوز هو مشتق السليلوز الذي يحتوي على عدد كبير من مجموعات الهيدروكسيل والأسيتيل في بنيته الجزيئية. هذه المجموعات الوظيفية تعطي أغشية خلات السليلوز جيدة الماء والانتقائية. على المقياس المجهري ، تتفاعل جزيئات خلات السليلوز من خلال قوى فان دير فان بين الجزيئات وروابط الهيدروجين لتشكيل بنية غشاء مع حجم مسام معين ومسامية. يمكن أن يحجب هذا الهيكل بشكل فعال الملح والشوائب في مياه البحر مع السماح جزيئات الماء بالمرور لتحقيق تحلية مياه البحر.

3. التشكل المعقد من السطح المجهري: "التضاريس الوعرة" للعالم المجهري
على المقياس المجهري ، لا يكون سطح غشاء RO مسطحًا وسلسًا ، ولكنه يقدم تضاريسًا معقدة مليئة بالأخاديد والمسامات الصغيرة. هذا التشكل السطحي المعقد يعزز قدرة غشاء RO على العمل كدوقة "غربال".
Micropores على سطح غشاء RO ليست ثقوب دائرية بسيطة ، ولكن لها أشكال معقدة وتوزيعات غير منتظمة. قد تكون هذه micropores إهليلجيًا أو مضلعة أو حتى بعض الأشكال غير المنتظمة التي يصعب وصفها. علاوة على ذلك ، فإن توزيعها على سطح الغشاء ليس موحدًا ، ولكنه عشوائي إلى حد ما. يزيد هذا الشكل والتوزيع غير المنتمين من صعوبة الملح والشوائب في المرور عبر مسام الغشاء.
عندما يحاول الملح والشوائب المرور عبر مسام الغشاء ، فإنها لا تواجه فقط الحد من حجم المسام ، ولكن أيضًا التحديات التي يلفها شكل وتوزيع مسام الغشاء. نظرًا لعدم انتظام مسام الغشاء ، قد يتم حظر الملح والشوائب عند الاقتراب من مسام الغشاء لأنها لا يمكنها مطابقة مسام الغشاء تمامًا. على سبيل المثال ، قد يتم اعتراض جسيم غرواني غير منتظم عند محاولة المرور عبر مسام الغشاء الإهليلجي لأن بعض أجزاء الجسيمات لا يمكن أن تمر عبر الجزء الضيق من مسام الغشاء.
بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر الأخاديد المجهرية والمسام على سطح غشاء RO أيضًا على تدفق وجزيئات الماء على سطح الغشاء. قبل المرور عبر مسام الغشاء ، تحتاج جزيئات الماء إلى انتشار وترحيل إلى حد ما على سطح الغشاء. يمكن أن يزيد التشكل المعقد لسطح الغشاء من منطقة التلامس بين جزيئات الماء وسطح الغشاء ، ويعزز انتشار جزيئات الماء ، وبالتالي يزيد من تدفق الماء من الغشاء. في الوقت نفسه ، يساعد هذا التشكل السطحي المعقد أيضًا على تقليل ترسب الملح والشوائب على سطح الغشاء ، ويقلل من خطر تلوث الغشاء ، وضمان التشغيل المستقر على المدى الطويل لغشاء RO.

4. التأثير التآزري للبنية المجهرية: الكفاءة الكلية لشاشة "الشاشة" الدقيقة
إن البنية المجهرية لغشاء RO ليست إضافة بسيطة لكل مكون ، ولكن من خلال التأثير التآزري لحجم المسام الدقيق للغاية ، والتكوين الفريد للمادة والمورفولوجيا المعقدة للسطح المجهري ، فقد خلق بشكل مشترك كفاءته القوية باعتباره "شاشة" دقيقة.
يوفر الحجم الصغير لحجم المسام الحاجز المادي الأساسي للفصل بين جزيئات الماء والملح والشوائب. يحدد التركيب الكيميائي الفريد والخصائص الفيزيائية للمادة انتقائية واستقرار الغشاء ، مما يسمح للغشاء RO بالحفاظ على الأداء الجيد في بيئة مياه البحر المعقدة. يعزز التشكل المعقد للسطح المجهري قدرة الانفصال وأداء مضاد للتلاعب للغشاء.
في عملية تحلية المياه الفعلية ، تتعاون هذه العناصر المجهرية مع بعضها البعض وتعمل معًا. عندما تتدفق مياه البحر إلى غشاء RO تحت الضغط ، يتم اعتراض الملح والشوائب أولاً على سطح الغشاء بسبب الفرق الكبير في المسام والغشاء. بعد ذلك ، فإن الخواص الكيميائية للمادة وتوزيع الشحنة السطحية امتصاص الملح والملح ، مما يمنعهم من المرور عبر مسام الغشاء. في الوقت نفسه ، تنتشر جزيئات الماء وتتناوب في التضاريس المعقدة لسطح الغشاء ، والعثور على مسام الغشاء ومررها ، وتحقيق النقل من مياه البحر إلى المياه العذبة .