¿Cómo ayuda el pequeño tamaño de poro 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 de la Membrana RO Se puede llamar la báscula de precisión definitiva en el mundo microscópico. Por lo general, el tamaño de sus poros es de sólo 0,0001 micras, lo cual es tan pequeño que resulta casi inimaginable. Para sentir esta escala de forma más intuitiva, podemos compararla con sustancias comunes. La mayoría de los virus tienen un diámetro de entre 0,02 y 0,3 micrones y el tamaño de los poros de la membrana RO es mucho más pequeño que el de la mayoría de los virus. Con un tamaño de poro tan pequeño, sólo las moléculas muy pequeñas, como las de agua, tienen la posibilidad 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 iónicos de cloruro de sodio, es de aproximadamente 0,5 nanómetros, y el tamaño de microorganismos como Escherichia coli es incluso del nivel de micras. Esta enorme diferencia de tamaño hace que la membrana RO sea como un súper tamiz bien diseñado en el proceso de desalinización de agua de mar. La sal y las impurezas no pueden pasar a través de los microporos de la membrana debido a su gran tamaño, mientras que las moléculas de agua pueden pasar con relativa facilidad a través de estos canales de microporos y transferirse del 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 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 de ósmosis inversa 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 travesía" microscópico porque su tamaño excede el rango de los poros de la membrana y son efectivamente interceptadas. Este efecto de cribado preciso proporciona la garantía más básica para la desalinización de agua de mar y es uno de los elementos clave para que las membranas RO se conviertan en "cribados" precisos.

2. Composición única de materiales: base material de la microestructura.
La razón por la que la microestructura de la membrana RO puede ser tan precisa es inseparable de las características únicas de los materiales poliméricos que la constituyen. Hay muchos tipos de materiales poliméricos que constituyen las membranas RO, entre los cuales la poliamida, el acetato de celulosa, etc. son materiales más comunes. Estos materiales poliméricos tienen estructuras químicas y propiedades físicas únicas, lo que proporciona una base material para construir microestructuras precisas.
Tomando como ejemplo las membranas compuestas de poliamida, generalmente están compuestas por una capa de separación activa de poliamida ultrafina 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 mediante tecnologías avanzadas como la polimerización interfacial. El material de poliamida en sí tiene buena estabilidad química y resistencia mecánica, y puede soportar diversas presiones y efectos químicos en el proceso de desalinización manteniendo al mismo tiempo 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 estrecha y ordenada. Esta disposición no sólo determina el tamaño de los poros y la distribución de la membrana, sino que también afecta la afinidad y repulsión de la membrana hacia diferentes sustancias. Por ejemplo, algunos grupos funcionales en la cadena molecular de poliamida, como los grupos 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 la 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 la celulosa que contiene una gran cantidad de grupos hidroxilo y acetilo en su estructura molecular. Estos grupos funcionales confieren a las membranas de acetato de celulosa buena hidrofilicidad 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 una porosidad específicos. Esta estructura puede bloquear eficazmente la sal y las impurezas en el agua de mar y al mismo tiempo permitir el paso de las moléculas de agua para lograr la desalinización del agua de mar.

3. Morfología compleja de la superficie microscópica: "terreno accidentado" del mundo microscópico
A escala microscópica, la superficie de la membrana RO no es plana ni lisa, sino que presenta un terreno complejo lleno de pequeños surcos 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 sobre la superficie de la membrana no es uniforme, sino aleatoria. Esta forma y distribución irregular aumenta la dificultad para que la sal y las impurezas pasen a través de los poros de la 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 plantean la forma y distribución de los poros de la membrana. Debido a la irregularidad de los poros de la membrana, la sal y las impurezas pueden bloquearse al acercarse a los poros de la membrana porque no pueden coincidir perfectamente con los poros de la membrana. Por ejemplo, una partícula coloidal de forma irregular puede ser interceptada al intentar pasar a través de un poro elíptico de la membrana porque algunas partes de la partícula no pueden pasar a través de la parte estrecha del poro de la membrana.
Además, los surcos y poros microscópicos de la superficie de la membrana RO también afectan el flujo y la difusión de las moléculas de agua en la superficie de la membrana. Antes de pasar a través de los poros de la membrana, las moléculas de agua necesitan difundirse y migrar hasta cierto punto sobre 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 el funcionamiento 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, sino que a través del efecto sinérgico del tamaño de poro extremadamente fino, la composición única del material y la compleja morfología de la superficie microscópica, ha creado en conjunto su poderosa eficiencia como una "pantalla" de precisión.
El pequeño tamaño del poro proporciona la barrera física más básica para la separación entre las moléculas de agua y la sal y las impurezas. La estructura química única y las propiedades físicas del material determinan la selectividad y estabilidad de la membrana, lo que permite que la membrana RO mantenga un buen rendimiento en un entorno complejo de agua de mar. La compleja morfología de la superficie microscópica mejora aún más la capacidad de separación y el rendimiento anticontaminación de la membrana.
En el proceso de desalinización real, estos elementos microestructurales cooperan entre sí y trabajan juntos. Cuando el agua de mar fluye hacia la membrana de ósmosis inversa bajo presión, en primer lugar, la sal y las impurezas son inicialmente interceptadas en la superficie de la membrana debido a la enorme diferencia en el tamaño y los poros de la membrana. Luego, las propiedades químicas del material y la distribución de carga superficial adsorben o repelen la sal y las impurezas, impidiendo aún más que pasen a través de los poros de la membrana. Al mismo tiempo, las moléculas de agua se difunden y migran en la compleja topografía de la superficie de la membrana, encuentran y pasan a través de los poros de la membrana y logran la transferencia del agua de mar al agua dulce.