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(dāng)壓力超過它的滲透壓時(shí)，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(fù)合膜。反滲透所用的設(shè)備，主要是中空纖維式或卷式的膜分離設(shè)備。

　　反滲透膜能截留水中的各種無機(jī)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(jī)物溶液的預(yù)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?，F(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)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(jié)合制取高純水，目前其應(yīng)用范圍正在擴(kuò)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(gè)壓力差，達(dá)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(guān)。若在濃溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí)，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(kuò)散模型

　　Lonsdale等人提出解釋反滲透現(xiàn)象的溶解-擴(kuò)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(shè)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(xué)勢推動下擴(kuò)散通過膜。溶解度的差異及溶質(zhì)和溶劑在膜相中擴(kuò)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(xué)位差的推動下以分子擴(kuò)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(shè)第一步、第三步進(jìn)行的很快，此時(shí)透過速率取決于第二步，即溶質(zhì)和溶劑在化學(xué)位差的推動下以分子擴(kuò)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(kuò)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(xì)孔流理論

　　當(dāng)液體中溶有不同種類物質(zhì)時(shí)，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(jī)物質(zhì)，可使其表面張力減小，但溶入某些無機(jī)鹽類，反而使其表面張力稍有增加，這是因?yàn)槿苜|(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(dāng)水溶液與高分子多孔膜接觸時(shí)，若膜的化學(xué)性質(zhì)使膜對溶質(zhì)負(fù)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(xì)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(jié)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(jìn)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(gòu)成所謂的結(jié)合水。當(dāng)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(jié)構(gòu)。在非晶相區(qū)域較大的孔空間里，結(jié)合水的占有率很低，在孔的中央存在普通結(jié)構(gòu)的水，不能與醋酸纖維素膜形成氫鍵的離子或分子則進(jìn)入結(jié)合水，并以有序擴(kuò)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(diǎn)——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(gè)活化點(diǎn)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(jìn)入膜的多孔層。由于多孔層含有大量的毛細(xì)管水，水分子能夠暢通流出膜外。
 

應(yīng)用范圍

　　單級反滲透適合電導(dǎo)率小于500μS/cm的水質(zhì)；

　　出水電導(dǎo)率 1-10uS/cm；

　　工藝流程：通過原水箱收集原水，采用了增壓泵進(jìn)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(jìn)行初步的水處理，經(jīng)過預(yù)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(jī)，進(jìn)行反滲透處理，反滲透主機(jī)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(jìn)行，輸送，純凈水處理完成后，通過專業(yè)的灌裝設(shè)備進(jìn)型灌裝稱為大桶純凈水或者小瓶純凈水。
 

應(yīng)用現(xiàn)狀

　　在各種膜分離技術(shù)中，反滲透技術(shù)是近年來國內(nèi)應(yīng)用最成功、發(fā)展最快、普及最廣的一種。估計(jì)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(jì)，1999年工業(yè)反滲透膜元件的市場供應(yīng)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(qiáng)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(shù)的應(yīng)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(yīng)用的最大領(lǐng)域仍為大型鍋爐補(bǔ)給水、各種工業(yè)純水，飲用水的市場規(guī)模次之，電子、半導(dǎo)體、制藥、醫(yī)療、食品、飲料、酒類、化工、環(huán)保等行業(yè)的應(yīng)用也形成了一定規(guī)模。

　　反滲透膜最新進(jìn)展

　　超低壓膜由于節(jié)省電耗和降低相關(guān)機(jī)械部件的壓力等級引起材料費(fèi)下降等優(yōu)點(diǎn)，自1999年以來超低壓膜的應(yīng)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(yīng)用最為突出，大型裝置中應(yīng)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(shí)。

　　低污染膜膜污染是反滲透應(yīng)用中的最大危害。目前已有幾種抗污染性能強(qiáng)、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(yīng)用的低壓、超低壓復(fù)合膜的材質(zhì)均為芳香族聚酸胺，其膜表面均帶有負(fù)電荷，現(xiàn)已有膜廠家開發(fā)出表面帶正電荷的低壓復(fù)合膜，這種膜主要應(yīng)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(dǎo)體行業(yè)的三級反滲透系統(tǒng)中實(shí)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(gè)生產(chǎn)廠的合計(jì)最終產(chǎn)水800噸/小時(shí)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(dǎo)體廠的170噸/小時(shí)的三級反滲透系統(tǒng)也達(dá)到上述指標(biāo)。另外，在國內(nèi)幾個(gè)制藥廠的5-20噸/小時(shí)規(guī)模的兩級反滲透系統(tǒng)中也實(shí)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(xué)藥品的反滲透膜。此外，各種有特殊膜元件結(jié)構(gòu)的食品級或衛(wèi)生級的反滲透膜也開始在國內(nèi)應(yīng)用。