超級反滲透

超級反滲透（super reverse osmosis）是一種套用反滲透膜透過純水後反滲透膜表面可溶解性物質濃度增加與原水形成濃度差，濃度差自然產生溶質壓，由溶質壓驅動水分子在反滲透膜表面形成水分子交換方式的一種交換型反滲透。其溶質壓由濃度差自然產生，只要維持濃度差，其過程持續進行。

基本介紹

• 中文名：超級反滲透
• 外文名：super reverse osmosis

超級反滲透理論模型

水分子透過反滲透膜後，反滲透膜表面濃差極化層溶質濃度增加，與原水形成濃度差，濃度差產生溶質壓驅動原水中的水分子補充到濃差極化層，一邊，濃差極化層水分子不斷的透過反滲透膜，一邊，水分子不斷地從原水中不斷的補充到濃差極化層，形成水分子的持續更替的超級反滲透現象。

溶質壓

溶液的溶質壓等於滲透壓π=cRT

式中π為稀溶液的溶質壓,V為溶液的體積,c為溶液的濃度,R為氣體常數,n為溶質的物質的量,T為絕對溫度。

所以溶質壓與物質的量濃度成正比,而物質的量濃度與質量濃度成正比,所以質量濃度越大,溶質壓就越大，其大小取決於溶質顆粒數目的多少，而與溶質的分子量、半徑等特性無關，NaCL溶液TDS每增加1000ppm則溶質壓增加約84.7KPa，足以驅動水分子作有趨向的擴散滲透運動。

1000ppmNaCl的摩爾濃度為：
1000/(58.5×1000）=0.0171mol/L
1000ppmNaCl的溶質壓（滲透壓）為：

π=V_iC_iCRT=2*0.0171×8.31×298=84.7KPa

特點

1、溶質壓動力交換原理，能耗低；

2、在原水中可溶性物質解析濃度下，不需要持續排廢水，產水率高；

3、廢水少，單位產水濾芯損耗小；

4、靜壓原理，可以全天24小時，全年無休運行，運行幾乎沒有噪音；

5、產水過程控制精確，特定反滲透膜可以精確分離分子量150以下的礦物質，精度遠遠優於納濾和超濾；

6、產水率不受溫度影響；

7、使用壽命長；

實現方式

主要通過壓力控制反滲透膜產水速度方式控制反滲透膜表面可溶解性物質濃度，使水分子補充速度大於反滲透膜產水速度，並控制可溶解性物質在解析結晶濃度以下，使系統持續進行。

對原水水質要求

SDI（15分鐘）<3

濁度<0.5NTU

Fe值<0.05ppm

自由氯濃度（mg/l)<0.1

PH值6-9

進水水溫3-48°C

脫鹽率95-99%

回收率30-99%

半透膜

只允許某些物質透過，而不允許另外一些物質透過的薄膜。

動物的膀胱膜、細胞膜、人造羊皮紙和火棉膠膜等都是半透膜。細胞膜只允許水、葡萄糖、CO2、O2、胺基酸等小分子物質通過；而不允許蛋白質、核酸、脂類等大分子物質通過。

半透膜傳質機理

一、溶解擴散理論

溶解擴散理論是朗斯代爾（Lonsdale）和賴利（Riley）等人提出的套用比較廣泛的理論。該理論將半透膜的活性表麵皮層看成是無缺陷的緻密無孔膜，溶劑與溶質都能溶解於均質的非多孔膜表麵皮層內，溶解量的大小服從亨利定律，在濃度或壓力造成的化學位差推動下，從膜的一側向另一側擴散，再在膜的另一側解吸。溶質和溶劑在膜中的溶解擴散過程服從菲克（Fick）定律。該機理認為溶質和溶劑都能溶於均質或非多孔型膜表面，以化學位差為推動力，通過分子擴散而實現滲透過程。因此，物質的滲透能力不僅取決於擴散係數，而且取決於其在膜中的溶解度。溶質和溶劑溶解度的差異及在膜相中擴散性的差異強烈地影響其透過膜的能力的差異。溶質的擴散係數與水分子的擴散係數相差越大，在壓力作用下，水與溶質在膜中的移動速度相差就越大，因而兩者透過膜的分子數相差越多，滲透分離效果越明顯。

溶理論的具體滲透過程為：

1．溶質和溶劑在膜的料液側表面吸附溶解。

2．溶質和溶劑之間沒有相互作用，他們在化學位差的作用下以分子擴散的形式滲透過半透膜膜的活性層。

3．溶質和溶劑在膜的另一側表面解吸。

在以上滲透過程中，一般假設溶解和解吸過程進行得較快，而滲透過程相對較慢，滲透速率取決於溶質和溶劑在膜內的擴散過程。該理論最適用於均相、高選擇性的膜分離過程，如半透膜和滲透汽化過程。

二、優先吸附-毛細孔流理論

當溶液中溶有不同物質時，其表面張力將發生不同的變化。例如當水中溶入醇、酸、醛、酯等有機物質時，可使其表面張力減小；但當溶入某些無機鹽類時，反而使其表面張力稍有增加。研究發現，溶質的分散是不均勻的，即溶質在溶液表面層中的濃度與溶液內部的濃度不同，這種溶質濃度的改變現象稱為溶液表面的吸附現象。使表面層濃度大於溶液內部濃度的作用稱為正吸附作用，反之稱為負吸附作用。這種由表面張力引起的溶質在兩相界面上正的或負的吸附過程，形成一個相當陡的濃度梯度，使得溶液中的某一成分優先吸附在界面上。這種優先吸附的狀態與界面性質（物化作用力）密切相關。

索里拉金等人提出了優先吸附-毛細孔流理論。以氯化鈉水溶液為例，溶質是氯化鈉，溶劑是水，膜的表面選擇性地吸收水分子而排斥氯化鈉，鹽是負吸附，水是正吸附，水優先吸附在膜的表面上。在壓力作用下，優先吸附的水分子通過膜，從而形成了脫鹽的過程。這種理論同時給出了混合物分離和滲透性的一種臨界孔徑的概念。當膜表面毛細孔直徑為純水層厚的2倍時，對一個毛細孔而言，將能夠得到最大流量的純水，此時對應的毛細孔徑稱為臨界孔徑。理論上講，制膜時應使孔徑為2倍純水厚度的毛細孔儘可能多地存在，以便膜的純水通量最大。當膜毛細孔的孔徑大於臨界孔徑時，溶液將從毛細孔的中心部位通過而導致溶質的泄露。

在該理論中，膜被假定為有微孔，分離機理由膜的表面現象和液體通過孔的傳質所決定。膜層有優先吸附水及排斥鹽的化學性質，使膜表面及膜孔內形成一幾乎為純溶劑的溶劑層，該層優先吸附的溶劑在壓力作用下，連續通過膜而形成產液，其濃度低於料液。在料液和膜表面層之間形成一濃縮的邊界層。根據該理論，半透膜過程是由平衡效應和動態效應兩個因素控制的，平衡效應是指膜表面附近呈現的排斥力或吸引力有關；動態效應是指溶質和溶劑通過膜孔的流動性，既與平衡效應有關，又與溶質在膜孔中的位阻效應有關。

依據這一理論，索里拉金等於1960年8月研製出一種具有高脫鹽率和高通量的可用於海水脫鹽的多孔醋酸纖維素半透膜膜。從此，半透膜開始作為海水和苦鹹水淡化的技術進入實用裝置的研製階段。

三、氫鍵理論

Reid等提出，在醋酸纖維素膜中，由於氫鍵和范德華力的作用，大分子之間存在牢固結合的結晶區和完全無序的非結晶區。水和溶質不能進入晶區，溶劑水充滿在非晶區，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形成氫鍵，即所謂的“結合水”。在非晶區較大的空間裡（假定為孔），結合水的占有率相對較低，在孔的中央存在普通結構的水，不能與醋酸纖維素形成氫鍵的離子或分子可以通過孔的中央部分遷移，這種遷移方式稱為孔穴型擴散。能和膜形成氫鍵的離子或分子與醋酸纖維素的氧原子形成結合水，以有序擴散的方式進行遷移，通過不斷改變和醋酸纖維素形成氫鍵的位置進行傳遞透過膜。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，而原來結合水的氫鍵被斷開，水分子解離出來並隨之轉移到下一個活化點形成新的氫鍵，通過一連串的氫鍵形成與斷開，水分子離開膜的表面緻密層進入膜的多孔層，又由於膜的多孔層含有大量的毛細管水，水分子暢通地流到膜的另一側。

氫鍵理論能夠解釋許多溶質的分離現象。該理論認為，作為半透膜的膜材料必須是親水性的並能與水形成氫鍵，水在膜中的遷移主要是擴散。但是，氫鍵理論將水和溶質在膜中的遷移僅歸結為氫鍵的作用，忽略了溶質-溶劑-膜材料之間實際存在的各種相互作用力。

四、擴散-細孔流理論

Sherwood等提出了擴散-細孔流理論，該理論是介於溶解擴散理論與優先吸附-毛細孔流理論之間的理論。該理論認為膜表面存在細孔，水和溶質在細孔和溶解擴散的共同作用下透過膜，膜的透過特性取決於細孔流，也取決於水和溶質在膜表面的擴散係數。當通過細孔的溶液量與整個膜的透水量之比越小，水在膜中的擴散係數比溶質在膜中的擴散係數越大，則膜的選擇透過性越好。

五、自由體積理論

Yasuda等在自由體積概念的基礎上提出了自由體積理論。該理論認為，膜的自由體積包括聚合物的自由體積和水的自由體積。聚合物的自由體積指的是在無水溶脹的由無規則高分子線團堆積而成的膜中，未被高分子占據的空間。水的自由體積指的是在水溶脹的膜中純水所占據的空間。水可以在整個膜的自由體積中遷移，而鹽只能在水的自由體積中遷移，從而使得膜具有選擇透過性能。

正滲透

當溶液與純溶劑被半透膜隔開，半透膜兩側壓力相等時，純溶劑通過半透膜進入溶液側使溶液濃度變低的現象稱為滲透。此時，單位時間內從純溶劑側通過半透膜進入溶液側的溶劑分子數目多於從溶液側通過半透膜進入溶劑側的溶劑分子數目，使得溶液濃度降低。當單位時間內，從兩個方向通過半透膜的溶劑分子數目相等時，滲透達到平衡。

反滲透

如果在溶液側加上一定的外壓，恰好能阻止純溶劑側的溶劑分子通過半透膜進入溶液側，此外壓稱為滲透壓。如果加在溶液側的壓力超過了滲透壓，則使溶液中的溶劑分子進入純溶劑內，此過程稱為反滲透。

超級反滲透

物體都由分子、原子組成，而一切物質的分子、原子都在不停地做無規則布朗運動，即熱運動（thermalmotion）；物體的溫度越高，其分子的運動越快。分散溶液介質處於不斷的布朗運動中，溶液質點從四面八方不斷的互相撞擊，不同化學濃度溶液中，因濃度梯度，質點從各個方向受到的撞擊力不能完全互相抵消,產生溶質壓。在某一時刻,從某一方向得到的衝量使質點發生位移，在巨觀上表現出來的是物質傳遞的擴散和滲透現象。溶質壓與溶質的質點（分子、離子）數（即溶質濃度）有關，而與溶質的本性無關的“依數特性”。

純水透過反滲透膜後，反滲透膜表面溶質濃度增加，形成濃度梯度的濃差極化層，原水溶質濃度較淡，形成溶質壓，溶質壓驅動原水中的水分子滲透到濃差極化層，一邊，濃差極化層水分子不斷的透過反滲透膜，一邊，水分子不斷的從原水中不斷的補充到濃差極化層，形成水分子的持續更替的超級反滲透現象。其持續過程需要滿足三個條件：

1.有半透膜存在，孔徑篩分選擇性透過水分子，留下可溶性物質，使反滲透膜表面形成濃度差；

2.適當的壓力驅動，壓力驅動使水分子能透過反滲透膜，適當的壓力控制產水速度，使原水向交換層補充水分子的速度大於反滲透膜產水的速度，濃差極化層不持續增加；

3.及時地排出濃縮後的可溶性物質，可溶性物質不至於解析結晶堵塞半透膜。

溶質壓與不同濃度溶液質點數量有關，因此超級反滲透又名質點溶質壓交換反滲透。在質點溶質壓交換反滲透系統中，通過控制壓力方式就可以精確反滲透膜產水速度和溶質壓，具有實現方法簡單精確的特點。基於溶質壓交換原理開發設計的超級反滲透淨水機具有水質好，運行功率超低，可全天24小時持續產水，產水率高且不受溫度影響，適當的半透膜孔徑可以提取水中特定礦物質的特點，是最有前景的飲用水水質處理技術。