Trong tự nhiên thẩm thấu được định nghĩa: là sự vận chuyển nước từ môi trường nhược trương sang môi trường ưu trương. Thẩm thấu là hiện tượng khi hai chất lỏng có nồng độ khác nhau được ngăn cách bởi một màng bán thấm, chất lỏng có xu hướng để di chuyển từ nồng độ thấp đến nồng độ chất tan cao cho đến khi cân bằng hóa học hoàn toàn. Màng RO hoạt động ngược lại với hiện tượng này nên được gọi là màng thẩm thấu ngược gọi tắt là RO. Thẩm thấu ngược là cách di chuyển dung môi từ nồng độ cao đến nồng độ thấp ngăn cách bởi một màng bán thấm để ngăn không cho các muối khoáng hòa tan cân bằng nồng độ. Màng bán thấm không cho phép các chất tan di chuyển qua màng, nhưng cho phép các dung môi đi qua. Các xu hướng dung môi chảy qua màng tế bào có thể được diễn tả như "áp suất thẩm thấu", vì nó là tương tự như dòng chảy gây ra bởi một sự khác biệt giữa áp lực. Thẩm thấu nằm trong quá trình vận chuyển thụ động của khuếch tán bao gồm: thẩm thấu, thẩm tách và chọn lọc.

Quá trình thẩm thấu qua màng bán thấm lần đầu tiên được quan sát thấy năm 1748 bởi Jean Antoine Nollet. 200 năm sau, thẩm thấu chỉ là một hiện tượng được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Năm 1949, trường Đại học California tại Los Angeles (UCLA) lần đầu tiên tiến hành kiểm tra khử muối của nước biển bằng cách sử dụng các màng bán thấm. Các nhà nghiên cứu từ cả UCLA và Đại học Florida sản xuất thành công nước ngọt từ nước biển. Đến cuối năm 2001, khoảng 15.200 nhà máy khử muối đã hoạt động hoặc trong các giai đoạn xây dựng trên toàn thế giới.

Quá trình lọc nước RO  không yêu cầu năng lượng nhiệt. Lưu lượng thông qua hệ thống RO có thể được quy định bởi bơm áp lực cao. Việc thu hồi nước tinh khiết phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau bao gồm kích thước màng, màng kích thước lỗ màng, nhiệt độ, áp suất vận hành và diện tích bề mặt màng. Các màng RO có một lớp dày đặc trong các ma trận lọc (màng tế bào). Trong hầu hết trường hợp, màng RO được thiết kế để cho phép chỉ có nước đi qua lớp ma trận lọc dày đặc này, và giữ lại các chất tan ( như các ion muối). Lọc tinh loại bỏ các hạt 1 micromet hoặc lớn hơn. Siêu lọc  loại bỏ các hạt từ 0.2 micromet hoặc lớn hơn.  Thẩm thấu ngược là trong hạng mục cao cấp nhất của lọc màng, loại bỏ các hạt lớn hơn 0,0001 micromet.  Quá trình này đòi hỏi phải có một áp suất cao có tác dụng lên phía nồng độ cao của màng tế bào, áp suất để lọc nước ngọt là 2-17 bar (30-250 psi ), nước lợ 15,5-26 bar, hoặc 1,6-2,6 MPa (225 đến 375 psi) và cho nước biển khoảng 55 đến 81,5 bar hoặc 6-8 MPa (800 đến 1.180 psi) để xé tan sức căng của nước hay còn gọi đảo ngược quá trình thẩm thấu. Màng RO được biết đến nhiều nhất trong khử muối (loại bỏ muối và khoáng chất khác từ nước biển để có được nước ngọt), nhưng kể từ đầu những năm 1970, nó cũng được sử dụng để làm sạch nước ngọt cho các ứng dụng y tế, công nghiệp, và trong nước.

 Màng RO

HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC SẠCH ĐÓNG CHAI THƯỜNG BAO GỒM MỘT SỐ BƯỚC  

- Bộ lọc trao đổi ion để loại bỏ các hạt lơ lửng, sắt và Ca, Mg; – Lọc tinh; -Bộ lọc than hoạt tính để giữ lại các tạp chất hữu cơ và clo, nếu không xử lý triệt để sẽ  tấn công và làm suy giảm màng thẩm thấu ngược (TFC); – Bộ lọc thẩm thấu ngược (RO), là một phim màng mỏng bán thấm cao phân tử (TFM hoặc TFC ); – Một bộ lọc carbon thứ hai để chụp những hợp chất không được gỡ bỏ được bởi các màng RO; – Một bộ đèn cực tím để khử vi khuẩn có thể thoát khỏi màng lọc thẩm thấu ngược; Trong một số hệ thống, các bộ lọc trước carbon được bỏ qua, và được sử dụng màng cellulose triacetate (CTA). Màng CTA  dễ bị thối rữa, trừ khi được bảo vệ bằng nước khử trùng bằng clo, trong khi màng TFC là dễ bị phá vỡ dưới ảnh hưởng của chất clo. Trong hệ thống TCA, một bộ lọc carbon là cần thiết để loại bỏ clo; Các bộ xử lý nước RO di động có thể được sử dụng bởi những người sống ở các vùng nông thôn không có nước sạch, cách xa từ các đường ống nước của thành phố. RO là thiết bị dễ dàng sử dụng để lọc nước sông, nước mưa, và nước lợ (nước mặn cần màng đặc biệt). Một số khách du lịch trên du thuyền dài, câu cá, hoặc các chuyến đi cắm trại đảo, hoặc ở các nước nơi cung cấp nước địa phương bị ô nhiễm hoặc không đạt tiêu chuẩn, sử dụng bộ vi xử lý nước RO kết hợp với một hoặc nhiều tiệt trùng tia cực tím. Trong sản xuất nước khoáng đóng chai, nước đi qua một bộ xử lý nước RO để loại bỏ các chất ô nhiễm và vi sinh vật. Ở các nước châu Âu, chế biến nước khoáng tự nhiên không được phép sử dụng hệ thống RO do họ lo ngại RO sẽ loại bỏ mất các khoáng chất có lợi trong nước. Trong thực tế, một phần nhỏ của các vi khuẩn sống và có thể  đi qua màng RO thông qua các khiếm khuyết nhỏ, hoặc đi qua màng thông qua các rò rỉ nhỏ. Vì vậy, hệ thống RO nên sử dụng ánh sáng tia cực tím hoặc ozon để ngăn chặn ô nhiễm vi sinh cho chắc chắn. RO được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như xử lý nước mưa, nước phục vụ nồi hơi công nghiệp, nước cho nhà máy nhiệt điện, xử lý nước thải, nước khử ion cho sản xuất dược phẩm…   

XỬ LÝ NƯỚC RO CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

Ngoài mục đích khử muối, thẩm thấu ngược còn ứng dụng lọc chất lỏng thực phẩm (chẳng hạn như nước ép trái cây) so với quá trình xử lý thông thường. Nghiên cứu đã được thực hiện trên nồng độ của nước cam và nước ép cà chua. Lợi thế của nó bao gồm chi phí vận hành thấp hơn và khả năng để tránh quá trình xử lý nhiệt, mà nó phù hợp với các chất nhạy cảm với nhiệt như các protein và enzyme được tìm thấy trong hầu hết các sản phẩm thực phẩm. Thẩm thấu ngược được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sữa để sản xuất bột whey protein (chất lỏng còn lại sau khi sản xuất pho mát)  và nồng độ của sữa để giảm chi phí vận chuyển, được cô đặc bởi RO có tổng chất rắn từ 5% thành 18-22%  để làm giảm kết tinh và chi phí làm khô bột lactose. Trong ngành công nghiệp rượu vang, RO được sử dụng rộng rãi. Khoảng 60 máy thẩm thấu ngược được sử dụng tại Bordeaux , Pháp vào năm 2002.   

XỬ LÝ NƯỚC RỬA XE

Do hàm lượng khoáng chất thấp hơn, nước thẩm thấu ngược thường được sử dụng trong rửa xe trong chiếc xe cuối cùng rửa sạch để ngăn chặn nước đốm trên xe. Thẩm thấu ngược thường được sử dụng ở Mỹ để bảo tồn và tái sử dụng nước trong phạm vi rửa xe. Đặc biệt là tại các khu vực bị ảnh hưởng hạn hán, nơi bảo tồn nước là rất quan trọng. Nước thẩm thấu ngược cũng cho phép các nhà khai thác rửa xe để giảm nhu cầu về các thiết bị xe khô, chẳng hạn như máy thổi khí.   

XỬ LÝ NƯỚC SẢN XUẤT XI-RÔ

Năm 1946, một số nhà sản xuất xi-rô bắt đầu sử dụng thẩm thấu ngược để loại bỏ nước từ nhựa cây trước khi được tiếp tục đun sôi để sản xuất xi-rô. Việc sử dụng thẩm thấu ngược cho phép khoảng 42-54% lượng nước được loại bỏ khỏi nhựa cây, giảm tiêu thụ năng lượng và tiếp xúc của xi-rô với nhiệt độ cao.   

SẢN XUẤT HYDRO

Đối với quy mô nhỏ sản xuất hydro, thẩm thấu ngược đôi khi được sử dụng để ngăn chặn hình thành các muối khoáng trên bề mặt của điện cực.

XỬ LÝ NƯỚC NUÔI CÁ

Nhiều rặng san hô hồ cá thủ sử dụng hệ thống lọc thẩm thấu ngược cho hỗn hợp nhân tạo của nước biển. Nước máy thông thường thường có thể chứa quá nhiều clo, chloramines, đồng, nitơ, phốt phát, silicat, các hóa chất khác gây hại cho các sinh vật nhạy cảm trong một môi trường rặng san hô. Chất gây ô nhiễm như các hợp chất nitơ và phốt phát có thể dẫn đến sự  phú dưỡng hóa. Một sự kết hợp hiệu quả thẩm thấu ngược và deionization (RO/DI) là phổ biến nhất trong số các người nuôi hồ cá rặng san hô, ưa thích trên các quy trình lọc nước khác do chi phí sở hữu thấp và chi phí hoạt động tối thiểu. Trường hợp clo và chloramines được tìm thấy trong nước, lọc carbon là cần thiết trước khi màng RO.   

XỬ LÝ NƯỚC BIỂN – DESALINATION- KHỬ MUỐI

   Các khu vực không có nước mặt, nước ngầm có thể chọn để khử muối trong nước biển hoặc nước lợ để có được nước ngọt. Thẩm thấu ngược là phương pháp phổ biến nhất của khử muối, mặc dù 85% của nước khử muối được sản xuất ở nhiều nhà máy chưng cất. Thẩm thấu ngược và nhà máy khử muối chưng cất được sử dụng trong khu vực Trung Đông, đặc biệt là Saudi Arabia. Yêu cầu năng lượng của các nhà máy khử muối rất lớn, nhưng điện có thể được sản xuất tương đối rẻ với trữ lượng dầu khí dồi dào trong khu vực. Các nhà máy khử muối thường nằm liền kề với các nhà máy điện, nhằm giảm tổn thất năng lượng trong truyền tải và tận dụng lượng nhiệt thải sử dụng trong quá trình khử muối chưng cất, làm giảm lượng năng lượng cần thiết để khử muối trong nước và cung cấp nước giải nhiệt máy. Khử  muối trong nước biển là một quá trình khử muối bằng màng thẩm thấu ngược đã được sử dụng thương mại kể từ đầu những năm 1970. Sử dụng thực tế đầu tiên của nó đã được chứng minh bởi Sidney Loeb và Srinivasa Sourirajan từ UCLA tại Coalinga, California. Bởi không sử dụng nhiệt, nên  yêu cầu năng lượng thấp hơn khi so sánh với các phương pháp khác của khử muối, nhưng vẫn cao hơn nhiều so với các hình thức cung cấp nước khác nếu nước không nhiễm mặn. Hệ thống khử muối điển hình bao gồm các thành phần sau:

Tiền xử lý – Bơm áp lực cao – Lắp ráp màng – Hóa chất bảo quản màng và điều chỉnh pH – Khử trùng – Bảng điều khiển.

   Tiền xử lý rất quan trọng để bảo vệ màng RO và lọc nano (NF) siêu lọc(UF). Loại bỏ chất rắn: Các chất rắn trong nước phải được loại bỏ làm giảm nguy cơ thiệt hại cho các thành phần máy bơm áp lực cao. Cột  lọc tinh: các bộ lọc  polypropylene được sử dụng để loại bỏ các hạt từ 1-5 đường kính micromet. Các chất oxy hóa diệt vi sinh vật, chẳng hạn như  Clo, Javen có thể phá hủy màng RO, NF, UF. Sử dụng các chất bảo vệ màng như chất ức chế biofouling, không tiêu diệt vi khuẩn, nhưng chỉ đơn giản là ngăn không cho chúng phát triển thành các mảng trên bề mặt thành màng. Điều chỉnh pH: điều chỉnh pH ở giới hạn thích hợp theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất màng. Máy bơm cung cấp áp lực cần thiết để đẩy nước qua màng RO, áp lực bơm cần thiết thể hiện qua tổng lượng muối khoáng hòa tan. Áp lực tiêu biểu cho nước lợ khoảng từ 225 đến 375 psi (15,5-26 bar, hoặc 1,6-2,6 MPa). Trong trường hợp của nước biển, dao động trong khoảng từ 800 đến 1.180 psi (55 đến 81,5 bar hoặc 6-8 MPa). Điều này đòi hỏi một các bơm chuyên dụng có áp lực cao. Các vách màng phải đủ vững để chịu được áp lực của máy bơm. Màng RO được thực hiện trong một loạt các kết cấu màng, với hai cấu tạo phổ biến nhất là xoắn ốc và sợi rỗng.   

KHỬ TRÙNG

Thẩm thấu ngược là một rào cản có hiệu quả để ngăn các vi khuẩn gây bệnh. Tuy nhiên trong quá trình xử  nước, màng có thể bị tổn hại và các vấn đề tái nhiễm vi khuẩn. Khử trùng bằng đèn tia cực tím (còn gọi là diệt khuẩn hoặc tiệt khuẩn) được sử dụng để đảm bảo nước hoàn toàn tiệt trùng.   

NHƯỢC ĐIỂM

Màng RO sử dụng cho gia đình có nhược điểm thải ra lượng nước thải quá lớn, tỷ lệ thu hồi nước của mỗi một màng từ 5 đến 15% tùy theo loại nước. Phần còn lại được thải ra nước thải. Nước thải mang theo các chất gây ô nhiễm bị xả bỏ, dòng muối khoáng đậm đặc. Một hệ thống RO thu hồi 5 gallon nước sạch sẽ thải bỏ 4-90 gallon nước thải. Sử dụng trong công nghiệp người ta bắt các màng nối tiếp nhau nên tỷ lệ thu hồi có thể lên tới 45%.