反滲透

ontent">簡介

　　反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側(cè)的料液施加壓力，當壓力超過它的滲透壓時，溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側(cè)得到透過的溶劑，即滲透液；高壓側(cè)得到濃縮的溶液，即濃縮液。若用反滲透處理海水，在膜的低壓側(cè)得到淡水，在高壓側(cè)得到鹵水。

　　反滲透通常使用非對稱膜和復合膜。反滲透所用的設備，主要是中空纖維式或卷式的膜分離設備。

　　反滲透膜能截留水中的各種無機離子、膠體物質(zhì)和大分子溶質(zhì)，從而取得凈制的水。也可用于大分子有機物溶液的預濃縮。由于反滲透過程簡單，能耗低，近20年來得到迅速發(fā)展。現(xiàn)已大規(guī)模應用于海水和苦咸水（見鹵水）淡化、鍋爐用水軟化和廢水處理，并與離子交換結合制取高純水，目前其應用范圍正在擴大，已開始用于乳品、果汁的濃縮以及生化和生物制劑的分離和濃縮方面。

基本原理

　　把相同體積的稀溶液（如淡水）和濃液（如海水或鹽水）分別置于一容器的兩側(cè)，中間用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然的穿過半透膜，向濃溶液側(cè)流動，濃溶液側(cè)的液面會比稀溶液的液面高出一定高度，形成一個壓力差，達到滲透平衡狀態(tài)，此種壓力差即為滲透壓滲透壓的大小決定于濃液的種類，濃度和溫度與半透膜的性質(zhì)無關。若在濃溶液側(cè)施加一個大于滲透壓的壓力時，濃溶液中的溶劑會向稀溶液流動，此種溶劑的流動方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透。

　　1．溶解-擴散模型

　　Lonsdale等人提出解釋反滲透現(xiàn)象的溶解-擴散模型。他將反滲透的活性表面皮層看作為致密無孔的膜，并假設溶質(zhì)和溶劑都能溶于均質(zhì)的非多孔膜表面層內(nèi)，各自在濃度或壓力造成的化學勢推動下擴散通過膜。溶解度的差異及溶質(zhì)和溶劑在膜相中擴散性的差異影響著他們通過膜的能量大小。其具體過程分為：第一步，溶質(zhì)和溶劑在膜的料液側(cè)表面外吸附和溶解；第二步，溶質(zhì)和溶劑之間沒有相互作用，他們在各自化學位差的推動下以分子擴散方式通過反滲透膜的活性層；第三步，溶質(zhì)和溶劑在膜的透過液側(cè)表面解吸。

　　在以上溶質(zhì)和溶劑透過膜的過程中，一般假設第一步、第三步進行的很快，此時透過速率取決于第二步，即溶質(zhì)和溶劑在化學位差的推動下以分子擴散方式通過膜。由于膜的選擇性，使氣體混合物或液體混合物得以分離。而物質(zhì)的滲透能力，不僅取決于擴散系數(shù)，并且決定于其在膜中的溶解度。

　　2．優(yōu)先吸附—毛細孔流理論

　　當液體中溶有不同種類物質(zhì)時，其表面張力將發(fā)生不同的變化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有機物質(zhì)，可使其表面張力減小，但溶入某些無機鹽類，反而使其表面張力稍有增加，這是因為溶質(zhì)的分散是不均勻的，即溶質(zhì)在溶液表面層中的濃度和溶液內(nèi)部濃度不同，這就是溶液的表面吸附現(xiàn)象。當水溶液與高分子多孔膜接觸時，若膜的化學性質(zhì)使膜對溶質(zhì)負吸附，對水是優(yōu)先的正吸附，則在膜與溶液界面上將形成一層被膜吸附的一定厚度的純水層。它在外壓作用下，將通過膜表面的毛細孔，從而可獲取純水。

　　3．氫鍵理論

　　在醋酸纖維素中，由于氫鍵和范德華力的作用，膜中存在晶相區(qū)域和非晶相區(qū)域兩部分。大分子之間存在牢固結合并平行排列的為晶相區(qū)域，而大分子之間完全無序的為非晶相區(qū)域，水和溶質(zhì)不能進入晶相區(qū)域。在接近醋酸纖維素分子的地方，水與醋酸纖維素羰基上的氧原子會形成氫鍵并構成所謂的結合水。當醋酸纖維素吸附了第一層水分子后，會引起水分子熵值的極大下降，形成類似于冰的結構。在非晶相區(qū)域較大的孔空間里，結合水的占有率很低，在孔的中央存在普通結構的水，不能與醋酸纖維素膜形成氫鍵的離子或分子則進入結合水，并以有序擴散方式遷移，通過不斷的改變和醋酸纖維素形成氫鍵的位置來通過膜。

　　在壓力作用下，溶液中的水分子和醋酸纖維素的活化點——羰基上的氧原子形成氫鍵，而原來水分子形成的氫鍵被斷開，水分子解離出來并隨之移到下一個活化點并形成新的氫鍵，于是通過一連串的氫鍵形成與斷開，使水分子離開膜表面的致密活性層而進入膜的多孔層。由于多孔層含有大量的毛細管水，水分子能夠暢通流出膜外。
 

應用范圍

　　單級反滲透適合電導率小于500μS/cm的水質(zhì)；

　　出水電導率 1-10uS/cm；

　　工藝流程：通過原水箱收集原水，采用了增壓泵進行水壓輔助，原水通過水壓泵輸送到石英砂過濾器、活性碳過濾器和陽離子軟化器進行初步的水處理，經(jīng)過預處理的水在經(jīng)過精密過濾器（又稱保安過濾器）和反滲透主機，進行反滲透處理，反滲透主機主要的純凈水處理系統(tǒng)，將處理完成的水通過水汽混合器進行，輸送，純凈水處理完成后，通過專業(yè)的灌裝設備進型灌裝稱為大桶純凈水或者小瓶純凈水。
 

應用現(xiàn)狀

　　在各種膜分離技術中，反滲透技術是近年來國內(nèi)應用最成功、發(fā)展最快、普及最廣的一種。估計自1995年以來，反滲透膜的使用量每年平均遞增20%；據(jù)保守的統(tǒng)計，1999年工業(yè)反滲透膜元件的市場供應量為8英寸膜6000支，4英寸膜26000支。2000年和2001年的市場更為強勁，膜用量一年比一年有較大幅度的提高。據(jù)估算，反滲透技術的應用已創(chuàng)造水處理行業(yè)全年10億人民幣以上的產(chǎn)值。

　　國內(nèi)反滲透膜工業(yè)應用的最大領域仍為大型鍋爐補給水、各種工業(yè)純水，飲用水的市場規(guī)模次之，電子、半導體、制藥、醫(yī)療、食品、飲料、酒類、化工、環(huán)保等行業(yè)的應用也形成了一定規(guī)模。

　　反滲透膜最新進展

　　超低壓膜由于節(jié)省電耗和降低相關機械部件的壓力等級引起材料費下降等優(yōu)點，自1999年以來超低壓膜的應用比重日益增大，這在以使用4英寸膜為主的小型裝置中應用最為突出，大型裝置中應用超低壓膜也呈上升趨勢，目前使用超低壓膜的最大裝置的產(chǎn)水量為650噸/小時。

　　低污染膜膜污染是反滲透應用中的最大危害。目前已有幾種抗污染性能強、使用壽命長、清洗頻度低且易清洗的低污染膜問世。

　　帶正電荷的反滲透膜現(xiàn)在廣泛應用的低壓、超低壓復合膜的材質(zhì)均為芳香族聚酸胺，其膜表面均帶有負電荷，現(xiàn)已有膜廠家開發(fā)出表面帶正電荷的低壓復合膜，這種膜主要應用于制備高電阻率的高純水系統(tǒng)中。日本日東電工公司生產(chǎn)的正電荷膜ES10C已在半導體行業(yè)的三級反滲透系統(tǒng)中實現(xiàn)10-15兆歐電阻率的高純水；韓國現(xiàn)代電子公司的3個生產(chǎn)廠的合計最終產(chǎn)水800噸/小時的三級反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水電阻率為8-9兆歐；上海某半導體廠的170噸/小時的三級反滲透系統(tǒng)也達到上述指標。另外，在國內(nèi)幾個制藥廠的5-20噸/小時規(guī)模的兩級反滲透系統(tǒng)中也實現(xiàn)了反滲透產(chǎn)水電阻率為1.7-3兆歐。

　　耐高溫、食品級、衛(wèi)生級反滲透膜普通水處理用反滲透膜的使用溫度均為0-45攝氏度，但在需要耐90攝氏度高溫殺菌的特殊場合，可使用耐高溫、耐化學藥品的反滲透膜。此外，各種有特殊膜元件結構的食品級或衛(wèi)生級的反滲透膜也開始在國內(nèi)應用。