1簡(jiǎn)介

反滲透又稱逆滲透，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(jiǎn)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，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(zhǎng)使用壽命都有著良好的作用。

對(duì)溶液施加一個(gè)大于滲透壓 的壓力

2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：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)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*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。

3應(yīng)用范圍

單級(jí)反滲透適合電導(dǎo)率小于500μS/cm的水質(zhì)；

出水電導(dǎo)率 1-10μS/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，原水通過增壓水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）后進(jìn)入反滲透主機(jī)，進(jìn)行反滲透處理，反滲透主機(jī)是主要的純凈水處理系統(tǒng)，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)行灌裝，稱為大桶純凈水或者小瓶純凈水。

4機(jī)理模型

統(tǒng)一的“干閉濕開”反滲透機(jī)理模型　有幾個(gè)經(jīng)典模型

1.優(yōu)先吸附毛細(xì)孔模型：弱點(diǎn)干態(tài)膜電鏡下，沒發(fā)現(xiàn)孔。濕態(tài)膜標(biāo)本不是電鏡的樣品。

2.溶解擴(kuò)散模型：不認(rèn)為有孔。

3.干閉濕開模型：上個(gè)世紀(jì)80，90年代，鄧宇等提出的，能夠解釋1和2模型的統(tǒng)一的現(xiàn)代貼切的逆滲透機(jī)理模型。既“干閉濕開”反滲透模型，統(tǒng)一了兩個(gè)經(jīng)典的反滲透機(jī)制模型，細(xì)孔模型，溶解擴(kuò)散模型。即

膜干時(shí)，膜孔收縮致密，孔隙閉合，電鏡下看不到制成干態(tài)備鏡檢的干膜；

膜濕時(shí)，膜材料溶脹，膜的孔隙被溶劑溶脹，孔打開。合并就是“干閉濕開”脫鹽模型。

5宏大設(shè)想

尋找海水淡化新技術(shù)

如圖所示：

非加壓滲透吸附法（90年代）

非加壓吸附滲透海水淡化法，或稱為“正向滲透法”，讓水通過多孔膜正向滲透進(jìn)入一種*吸水的吸附劑或鹽濃度甚至超過海水的溶液或固態(tài)物，不需要外界加壓，但溶液里的特殊鹽分"提取液"很容易蒸發(fā)，不需要加太多的熱（加熱能與反滲透加壓的能量比？）。分固態(tài)鹽、液態(tài)鹽方向。固態(tài)鹽解吸附耗能更小。

海水淡化技術(shù):非加壓吸附滲透海水淡化法：上個(gè)世紀(jì)90年代鄧宇的發(fā)明，《美國(guó)化學(xué)文摘》收錄。

另外兩種方法都在薄膜結(jié)構(gòu)上有了創(chuàng)新和改進(jìn)

碳納米管薄膜

一種用碳納米管來做薄膜的小孔，另一種

活細(xì)胞的蛋白質(zhì)膜

薄膜的孔用引導(dǎo)水分子通過活細(xì)胞的細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)來構(gòu)成。

6應(yīng)用范圍

太空水、純凈水、蒸餾水等制備； 酒類制造及降度用水； 醫(yī)藥、電子等行業(yè)用水的前期制備； 化工工藝的濃縮、分離、提純及配水制備； 鍋爐補(bǔ)給水除鹽軟水； 海水、苦咸水淡化； 造紙、電鍍、印染、食品等行業(yè)用水及廢水處理；城市污水深度處理。

以高分子分離膜為代表的膜分離技術(shù)作為一種新型、流體分離單元操作技術(shù)，30年來取得了令人矚目的飛速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。

7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(guó)內(nèi)應(yīng)用成功、發(fā)展快、普及廣的一種。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(chǎng)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(chǎng)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(guó)內(nèi)反滲透膜工業(yè)應(yīng)用的大領(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(chǎng)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(jí)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)用為突出，大型裝置中應(yīng)用超低壓膜也呈上升趨勢(shì)，目前使用超低壓膜的大裝置的產(chǎn)水量為650噸/小時(shí)。

低污染膜 膜污染是反滲透應(yīng)用中的大危害。現(xiàn)在已有幾種抗污染性能強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、清洗頻度低且易清洗的低污染膜問世。

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(jí)反滲透系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)10-15兆歐電阻率的高純水；韓國(guó)現(xiàn)代電子公司的3個(gè)生產(chǎn)廠的合計(jì)終產(chǎn)水800噸/小時(shí)的三級(jí)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(jí)反滲透系統(tǒng)也達(dá)到上述指標(biāo)。另外，在國(guó)內(nèi)幾個(gè)制藥廠的5-20噸/小時(shí)規(guī)模的兩級(jí)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(jí)、衛(wèi)生級(jí)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(chǎng)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(jí)或衛(wèi)生級(jí)的反滲透膜也開始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用。

8新進(jìn)展

國(guó)外已有日產(chǎn)水量10萬噸級(jí)的反滲透海水淡化裝置，目前正在運(yùn)行的大型卷式膜海水淡化裝置的單機(jī)能力為日產(chǎn)水量6000噸。國(guó)內(nèi)已建和在建的反滲透海水淡化裝置日產(chǎn)水量350-1000噸，國(guó)外單段反滲透海水淡化的水利用率高達(dá)45%，國(guó)內(nèi)多為35%，另外國(guó)內(nèi)漁船上裝載的反滲透海水淡化膜多用直徑為2.5英寸的小型膜元件。目前國(guó)內(nèi)批量生產(chǎn)海水淡化裝置的公司不超過10家，在河北建設(shè)的日產(chǎn)水量18000噸的“亞海水”脫鹽裝置是國(guó)內(nèi)大的使用海水淡化膜的反滲透裝置。今后國(guó)內(nèi)海水淡化膜的應(yīng)用將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期，不久的將來，我國(guó)也會(huì)建設(shè)日產(chǎn)水萬噸級(jí)的海水淡化裝置。此外國(guó)內(nèi)已開始商業(yè)生產(chǎn)海水淡化反滲透膜元件。

9難題攻克

主要困難是研制價(jià)格便宜、穩(wěn)定、長(zhǎng)期受壓無損的反滲透膜 。中國(guó)從21世紀(jì)初開始掌握自主反滲透膜生產(chǎn)技術(shù)，在國(guó)家的大力支持下，將該計(jì)劃列入國(guó)家計(jì)委*產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展專項(xiàng)計(jì)劃，由國(guó)家海洋局下的杭州水處理研究開發(fā)中心的子公司——杭州北斗星膜制品有限公司承擔(dān)并研發(fā)成功。目前反滲透膜市場(chǎng)95%為進(jìn)口膜，國(guó)產(chǎn)膜只占據(jù)了5%左右的市場(chǎng)，中國(guó)的反滲透技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走。