¿Cómo el pequeño tamaño de poro ayuda a la membrana RO a lograr la desalinización del agua de mar?

1. Tamaño de poro extremadamente pequeño: la escala de precisión del mundo microscópico
El tamaño de los poros del Membrana RO puede llamarse la mejor escala de precisión en el mundo microscópico. Por lo general, su tamaño de poro es de solo 0.0001 micras, lo cual es tan pequeño que es casi inimaginable. Para sentir esta escala de manera más intuitiva, podemos compararla con sustancias comunes. La mayoría de los virus tienen un diámetro entre 0.02 y 0.3 micras, y el tamaño de poro de la membrana RO es mucho más pequeño que el de la mayoría de los virus. Con un tamaño de poro tan pequeño, solo moléculas muy pequeñas como las moléculas de agua tienen la oportunidad de pasar.
El diámetro de una molécula de agua es de aproximadamente 0.276 nanómetros. En comparación, el diámetro de la sal en el agua de mar, como los pares de iones de cloruro de sodio, es de aproximadamente 0.5 nanómetros, y el tamaño de microorganismos como Escherichia coli está incluso a nivel de micras. Esta gran diferencia de tamaño hace que la membrana Ro sea un súper tamiz bien diseñado en el proceso de desalinización del agua de mar. La sal y las impurezas no pueden pasar a través de los microporos en la membrana debido a su gran tamaño, mientras que las moléculas de agua pueden pasar relativamente fácilmente a través de estos canales de microporos y transferir desde el lado del agua de mar al lado del agua dulce debido a su pequeño tamaño.
Desde la perspectiva de los principios físicos, este mecanismo de detección basado en las diferencias de tamaño es consistente con la mecánica de fluidos y la teoría de la difusión molecular. Cuando el agua de mar fluye a través de la membrana RO bajo presión externa, las moléculas de agua siguen la ley del movimiento browniano bajo presión y encuentran y pasan a través de los poros de la membrana a escala microscópica. Sin embargo, la sal y las impurezas no pueden participar en este "viaje de cruce" microscópico porque su tamaño excede el rango de poros de membrana y se interceptan efectivamente. Este efecto de detección preciso proporciona la garantía más básica para la desalinización del agua de mar y es uno de los elementos clave para que las membranas de Ro se conviertan en "pantallas" precisas.

2. Composición única de los materiales: base de material de microestructura
La razón por la cual la microestructura de la membrana RO puede ser tan precisa es inseparable de las características únicas de los materiales de polímero que la constituyen. Hay muchos tipos de materiales de polímeros que constituyen membranas RO, entre las cuales la poliamida, el acetato de celulosa, etc. son materiales más comunes. Estos materiales de polímero tienen estructuras químicas y propiedades físicas únicas, proporcionando una base de materiales para construir microestructuras precisas.
Tomando las membranas compuestas de poliamida como ejemplo, generalmente se componen de una capa de separación activa de poliamida ultra delgada y una capa de soporte. La capa de separación activa de poliamida es la parte central para lograr la separación de sal e impurezas. Forma una estructura microporosa extremadamente fina en la superficie de la capa de soporte a través de tecnologías avanzadas como la polimerización interfacial. El material de poliamida en sí tiene una buena estabilidad química y resistencia mecánica, y puede soportar diversas presiones y efectos químicos en el proceso de desalinización mientras se mantiene la estabilidad de la microestructura.
En la microestructura de la capa de separación activa de poliamida, las cadenas moleculares interactúan entre sí a través de enlaces covalentes y enlaces de hidrógeno, formando una disposición apretada y ordenada. Esta disposición no solo determina el tamaño y la distribución de poros de la membrana, sino que también afecta la afinidad y la repulsión de la membrana a diferentes sustancias. Por ejemplo, algunos grupos funcionales en la cadena molecular de poliamida, como los grupos de amida, tienen cierta polaridad y pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas de agua, promoviendo así la transmisión de moléculas de agua en los poros de membrana. Para los iones de sal cargados, la distribución de carga en la superficie de la membrana de poliamida producirá repulsión electrostática, evitando aún más que la sal pase a través de los poros de la membrana.
Las membranas de acetato de celulosa también tienen propiedades microestructurales únicas. El acetato de celulosa es un derivado de celulosa que contiene una gran cantidad de grupos hidroxilo y acetilo en su estructura molecular. Estos grupos funcionales dan a las membranas de acetato de celulosa buena hidrofilia y selectividad. A escala microscópica, las moléculas de acetato de celulosa interactúan a través de fuerzas intermoleculares de van der Waals y enlaces de hidrógeno para formar una estructura de membrana con un tamaño de poro y porosidad específicos. Esta estructura puede bloquear efectivamente la sal y las impurezas en el agua de mar al tiempo que permite que las moléculas de agua pasen para lograr la desalinización del agua de mar.

3. Morfología compleja de la superficie microscópica: "terreno resistente" del mundo microscópico
A escala microscópica, la superficie de la membrana RO no es plana y lisa, sino que presenta un terreno complejo lleno de pequeños ranuras y poros. Esta compleja morfología de la superficie mejora aún más la capacidad de la membrana RO para actuar como un "tamiz" de precisión.
Los microporos en la superficie de la membrana RO no son simples agujeros circulares, sino que tienen formas complejas y distribuciones irregulares. Estos microporos pueden ser elípticos, poligonales o incluso algunas formas irregulares que son difíciles de describir. Además, su distribución en la superficie de la membrana no es uniforme, sino aleatoria. Esta forma y distribución irregulares aumentan la dificultad de la sal y las impurezas para pasar a través de los poros de membrana.
Cuando la sal y las impurezas intentan pasar a través de los poros de la membrana, no solo enfrentan la limitación del tamaño de los poros, sino también los desafíos que traen la forma y la distribución de los poros de la membrana. Debido a la irregularidad de los poros de membrana, la sal y las impurezas pueden bloquearse al acercarse a los poros de la membrana porque no pueden igualar los poros de membrana perfectamente. Por ejemplo, una partícula coloidal de forma irregular puede ser interceptada al tratar de pasar a través de un poro de membrana elíptica porque algunas partes de la partícula no pueden pasar a través de la parte estrecha del poro de la membrana.
Además, los surcos microscópicos y los poros en la superficie de la membrana de RO también afectan el flujo y la difusión de las moléculas de agua en la superficie de la membrana. Antes de pasar por los poros de membrana, las moléculas de agua deben difundirse y migrar en cierta medida en la superficie de la membrana. La morfología compleja de la superficie de la membrana puede aumentar el área de contacto entre las moléculas de agua y la superficie de la membrana, promover la difusión de las moléculas de agua y así aumentar el flujo de agua de la membrana. Al mismo tiempo, esta compleja morfología de la superficie también ayuda a reducir la deposición de sal e impurezas en la superficie de la membrana, reducir el riesgo de contaminación de la membrana y garantizar la operación estable a largo plazo de la membrana RO.

4. Efecto sinérgico de la microestructura: la eficiencia general de la "pantalla" de precisión
La microestructura de la membrana Ro no es una simple adición de cada componente, pero a través del efecto sinérgico del tamaño de poro extremadamente fino, la composición única del material y la morfología compleja de la superficie microscópica, ha creado conjuntamente su poderosa eficiencia como una "pantalla" de precisión.
El tamaño pequeño del tamaño de poro proporciona la barrera física más básica para la separación entre las moléculas de agua y la sal e impurezas. La estructura química única y las propiedades físicas del material determinan la selectividad y la estabilidad de la membrana, lo que permite que la membrana RO mantenga un buen rendimiento en un entorno de agua de mar complejo. La morfología compleja de la superficie microscópica mejora aún más la capacidad de separación y el rendimiento contra la contaminación de la membrana.
En el proceso de desalinización real, estos elementos microestructurales cooperan entre sí y trabajan juntos. Cuando el agua de mar fluye a la membrana RO bajo presión, en primer lugar, la sal y las impurezas se interceptan inicialmente en la superficie de la membrana debido a la gran diferencia de tamaño y poros de membrana. Luego, las propiedades químicas del material y la distribución de carga superficial adsorben o repelen la sal e impurezas, evitando que pasen por los poros de la membrana. Al mismo tiempo, las moléculas de agua se difunden y migran en la topografía compleja de la superficie de la membrana, encuentran y pasan a través de los poros de membrana, y logran la transferencia del agua de mar al agua dulce.