反滲透技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)、最節(jié)能、效率最高的分離技術(shù)，在水處理行業(yè)中不可或缺。反滲透膜及其基本原理是如何的呢？秦泰盛實(shí)業(yè)(森源水處理)專業(yè)從事水處理行業(yè)，以下讓秦泰專業(yè)人員為您講解反滲透膜及其基本原理：

        反滲透(REVERSE OSMOSIS)又稱逆滲透，一種以壓力差為推動(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對(duì)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(huì)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。

        反滲透時(shí)，溶劑的滲透速率即液流能量N為：

        N=Kh(Δp－Δπ)

        式中Kh為水力滲透系數(shù)，它隨溫度升高稍有增大；Δp為膜兩側(cè)的靜壓差；Δπ為膜兩側(cè)溶液的滲透壓差。稀溶液的滲透壓π為：

        π=iCRT

        式中i為溶質(zhì)分子電離生成的離子數(shù)；C為溶質(zhì)的摩爾濃度；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

        反滲透通常使用非對(duì)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。現(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。

        反滲透技術(shù)通常用于海水、苦咸水的淡水；水的軟化處理；廢水處理以及食品、醫(yī)藥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)的提純、濃縮、分離等方面。此外，反滲透技術(shù)應(yīng)用于預(yù)除鹽處理也取得較好的效果，能夠使離子交換樹脂的負(fù)荷減輕松90%以上，樹脂的再生劑用量也可減少90%。因此，不僅節(jié)約費(fèi)用，而且還有利于環(huán)境保護(hù)。反滲透技術(shù)還可用于除于水中的微粒、有機(jī)物質(zhì)、膠體物，對(duì)減輕離子交換樹脂的污染，延長使用壽命都有著良好的作用。

        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(dòng)，濃溶液側(cè)的液面會(huì)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(huì)向稀溶液流動(dòng)，此種溶劑的流動(dòng)方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透。

        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(shì)推動(dòng)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?cè)诟髯曰瘜W(xué)位差的推動(dòng)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(dòng)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。

        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(duì)溶質(zhì)負(fù)吸附，對(duì)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。

        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(huì)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(huì)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。

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反滲透膜

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2013.11.1