Ученые создали модель, упрощающую создание мембран для опреснения воды
Простую модель задержания соли в заряженных мембранах обратного осмоса для опреснения воды разработали специалисты Института вычислительного моделирования Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН совместно с коллегами из Польши, Нидерландов и США, 20 апреля сообщает пресс-служба КНЦ.
Для описания мембранных систем обратного осмоса и оценки их эффективности ученые вместо сложных расчетов и огромных массивов данных предложили использовать одно простое уравнение, которое описывает связь между основными параметрами мембраны, характеризующими ее способность задерживать соль.
Результаты исследования авторы модели представили в статье «Теория переноса соли в заряженных мембранах обратного осмоса: новые аналитические уравнения для опреснения и экспериментальная проверка», опубликованной в журнале Desalination.
Одной из наиболее эффективных мембранных технологий, широко применяемой для удаления из воды солей и органических загрязнителей, является процесс обратного осмоса, при котором мембрана задерживает ионы растворенных солей, пропуская чистую воду.
Преимуществом, обеспечившим широкое применение этой технологии, является возможность ее использования для очистки различных типов воды, в том числе из рек, озер, источников водоснабжения, а также питьевой воды из водопровода в домах, офисах и других местах.
При этом мембранным фильтрам не требуются химические реагенты, как в случае использования других методов очистки воды. Использование таких фильтров уменьшает затраты на эксплуатацию систем очистки и одновременно повышает экологическую безопасность окружающей среды.
Разработка эффективной фильтрационной системы промышленного опреснения воды требует получения и обработки большого количества экспериментальных данных, которые далее необходимо проанализировать, чтобы определить влияние различных факторов на процесс опреснения.
Обычно в этих случаях разработчики используют сложные модели, которым для работы нужны значительные вычислительные ресурсы. Новая модель для быстрого и эффективного определения характеристик мембран на основе данных экспериментов, разработанная учеными КНЦ СО РАН с коллегами, этого недостатка лишена.
Созданное ими уравнение для потока соли позволяет упростить расчеты и эффективно определять характеристики мембраны всего по четырем параметрам, определяющим зависимость задержания соли мембраной.
К ним относятся коэффициенты, характеризующие: проницаемость мембраны по воде; проницаемость мембраны по растворенному веществу (соли); эффект накопления более концентрированного раствора вблизи поверхности мембраны и заряд поверхности мембраны.
Последний играет важную роль в задержании ионов солей. При этом полимерные мембраны обратного осмоса могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд за счет диссоциации поверхностных функциональных групп.
В случае положительного заряда поверхности происходит повышение концентрации отрицательных ионов внутри пор мембраны и запирание их для положительных ионов, что приводит к задержанию соли в целом, так как для ее прохождения через мембрану необходим транспорт обоих типов ионов.
Математические модели позволяют при анализе экспериментальных данных глубже понять механизмы задержания для эффективной оптимизации мембранной технологии обратного осмоса.
Ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН доктор физико-математических наук Илья Рыжков рассказал о созданной коллективом модели:
«Теоретическое описание транспорта воды и солей через мембраны обратного осмоса является важной научной задачей, имеющей большое технологическое значение. Мы предложили формулу, которая позволяет охарактеризовать свойства мембраны на основе экспериментальных данных о задержании соли в зависимости от приложенной разности давлений. Это достаточно простое уравнение с понятными параметрами, которое не требует сложных расчетов».
Новая модель позволяет быстро анализировать множество наборов данных тестирования мембраны при различных давлениях и концентрациях солей в исходном растворе. Формула справедлива как для заряженных, так и для незаряженных мембран. В процессе исследования возможностей модели ученые охарактеризовали девять типов коммерческих мембран обратного осмоса.
«Мы полагаем, что эти результаты будут востребованы в промышленности для оценки эффективности и производительности мембранных систем», — указал ученый.
