基本介紹
- 中文名：反滲透
- 外文名：reverse osmosis
- 別稱：逆滲透
- 表達式：N=Kh(Δp－Δπ)
- 套用學科：物理化學
- 適用領域範圍：海水、苦鹹水的淡化；水的軟化處理
- 機理模型：優先吸附毛細孔模型等
定義,基本原理,水處理套用,研究進展,
定義
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。從而在膜的低壓側得到透過的溶劑，即滲透液；高壓側得到濃縮的溶液，即濃縮液。若用反滲透處理海水，在膜的低壓側得到淡水，在高壓側得到滷水。
反滲透時，溶劑的滲透速率即液流能量N為：
式中Kh為水力滲透係數，它隨溫度升高稍有增大；Δp為膜兩側的靜壓差；Δπ為膜兩側溶液的滲透壓差。
稀溶液的滲透壓π為：
反滲透膜能截留水中的各種無機離子、膠體物質和大分子溶質，從而取得淨制的水。也可用於大分子有機物溶液的預濃縮。由於反滲透過程簡單，能耗低，近20年來得到迅速發展。現已大規模套用于海水和苦鹹水（見滷水）淡化、鍋爐用水軟化和廢水處理，並與離子交換結合製取高純水，其套用範圍正在擴大，已開始用於乳品、果汁的濃縮以及生化和生物製劑的分離和濃縮方面。
反滲透技術通常用於海水、苦鹹水的淡水；水的軟化處理；廢水處理以及食品、醫藥工業、化學工業的提純、濃縮、分離等方面。此外，反滲透技術套用於預除鹽處理也取得較好的效果，能夠使離子交換樹脂的負荷減輕鬆90%以上，樹脂的再生劑用量也可減少90%。因此，不僅節約費用，而且還有利於環境保護。反滲透技術還可用於除於水中的微粒、有機物質、膠體物，對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。
滲透反滲透對比基本原理
把相同體積的稀溶液（如淡水）和濃液（如海水或鹽水）分別置於一容器的兩側，中間用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然的穿過半透膜，向濃溶液側流動，濃溶液側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，此種壓力差即為滲透壓，滲透壓的大小決定於濃液的種類，濃度和溫度，與半透膜的性質無關。若在濃溶液側施加一個大於滲透壓的壓力時，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。
溶解-擴散模型
Lonsdale等人提出解釋反滲透現象的溶解-擴散模型。他將反滲透的活性表麵皮層看作為緻密無孔的膜，並假設溶質和溶劑都能溶於均質的非多孔膜表面層內，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，溶質和溶劑在膜的料液側表面外吸附和溶解；第二步，溶質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，溶質和溶劑在膜的透過液側表面解吸。
在以上溶質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，此時透過速率取決於第二步，即溶質和溶劑在化學位差的推動下以分子擴散方式通過膜。由於膜的選擇性，使氣體混合物或液體混合物得以分離。而物質的滲透能力，不僅取決於擴散係數，並且決定於其在膜中的溶解度。
優先吸附—毛細孔流理論
當液體中溶有不同種類物質時，其表面張力將發生不同的變化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有機物質，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，這是因為溶質的分散是不均勻的，即溶質在溶液表面層中的濃度和溶液內部濃度不同，這就是溶液的表面吸附現象。當水溶液與高分子多孔膜接觸時，若膜的化學性質使膜對溶質負吸附，對水是優先的正吸附，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。
氫鍵理論
醋酸纖維素(一種半透膜材料)是一種具有高度有序矩陣結構的聚合物，它具有與水或醇等溶劑形成氫鍵的能力，如圖所示。鹽水中的水分子能與醋酸纖維素半透膜上的羰基形成氫鍵。在反滲透壓力推動的作用下，以氫鍵結合進入醋酸纖維素膜的水分子能夠由第一個氫鍵位置斷裂而轉移到另一個位置形成另一個氫鍵。這些水分子通過一連串的形成氫鍵和斷裂氫鍵而不斷移位，直至離開膜的表皮層而進入多空性支撐層後，就很快地源源流出淡水。
水在醋酸纖維素膜中的傳遞
水在醋酸纖維素膜中的傳遞機理模型
統一的“乾閉濕開”反滲透機理模型，有幾個經典模型：
1.優先吸附毛細孔模型：弱點乾態膜電鏡下，沒發現孔。濕態膜標本不是電鏡的樣品。
2.溶解擴散模型：不認為有孔。
3.乾閉濕開模型：上個世紀80，90年代，解釋1和2模型的統一的現代最貼切的逆滲透機理模型。既“乾閉濕開”反滲透模型，統一了兩個最經典的反滲透機制模型，細孔模型，溶解擴散模型。即
膜乾時，膜孔收縮緻密，孔隙閉合，電鏡下看不到製成乾態備鏡檢的乾膜；
膜濕時，膜材料溶脹，膜的孔隙被溶劑溶脹，孔打開。合併就是“乾閉濕開”脫鹽模型。
水處理套用
與其他傳統分離工程相比，反滲透分離過程有其獨特的優勢：（1）壓力是反滲透分離過程的主動力，不經過能量密集交換的相變，能耗低；（2）反滲透不需要大量的沉澱劑和吸附劑，運行成本低；（3）反滲透分離工程設計和操作簡單，建設周期短；（4）反滲透淨化效率高，環境友好。因此，反滲透技術在生活和工業水處理中已有廣泛套用，如海水和苦鹹水淡化、醫用和工業用水的生產、純水和超純水的製備、工業廢水處理、食品加工濃縮、氣體分離等。
海水和苦鹹水淡化
20世紀60年代以來，反滲透脫鹽已成為一種獲取飲用水的重要途徑，是解決淡水資源緊缺的一種有效方法。目前，反滲透脫鹽技術主要套用在兩個方面：海水淡化和苦鹹水脫鹽。
全世界海水淡化裝置中約有30%是利用反滲透技術實現的，通過反滲透膜可除去海水中99%以上的鹽離子，得到可飲用的淡水。以色列的反滲透海水淡化技術比較領先，2005年阿什克倫建造了當時世界上最大的反滲透海水淡化裝置，產水量為3.3×105m3·d-1，占到以色列全部水需求量的15%，產水成本約為0.53美元·m-3。我國最大的反滲透海水淡化站位於大連市長海縣。
苦鹹水在我國北方地區分布較為廣泛，含鹽離子較多，可通過反滲透技術進行除鹽淡化處理，達到飲用水標準。馬蓮河流域示範工程利用馬蓮河上游環江苦鹹水資源，採用反滲透膜技術，建立1000m3·d-1苦鹹水淡化工程，出水水質達到國家生活飲用水衛生標準，有效解決了環縣城區5萬居民飲水問題。何緒文、姚永毅、孫魏等均對苦鹹水進行過反滲透處理的實驗研究，系統脫鹽率>95%，出水水質優於國家飲用水標準。
海水和苦鹹水淡化是反滲透技術的傳統套用領域，目前存在的問題仍然是操作壓力偏高，能耗較大，另外海水中的Cl-對反滲透膜也有較大的污染，阻礙了反滲透技術在該領域的進一步推廣。目前，低壓、低能耗、抗污染、抗氧化的反滲透膜正在積極的研發之中，以便從根本上解決現在存在的問題。
純水和超純水的製備
反滲透+混床水處理技術改進了原來的全離子交換制水工藝，運行期間，產水增加，水質改善，大幅度降低了制水成本。此外，許多科研人員均對反滲透+電去離子法製取純水進行了實驗研究，達到了預期結果，證實了反滲透+電去離子法製取高純水的可行性。通過控制反滲透的級數可製取不同純度脫鹽水。隨著反滲透級數的增加，脫鹽水的純度提高，但是出水量減少，水利用率降低，因此，反滲透裝置連用一般不會超過二級，通常將反滲透與電去離子技術聯用，不僅克服了反滲透出水不能徹底除鹽的不足，還可以提高電去離子裝置的進水水質，防止電去離子設備損壞，提高整體淨水效果。
工業廢水處理
工業廢水處理是除脫鹽和純水的製備領域外，反滲透技術套用最多的一個領域。工業廢水處理具有降低生產成本，保護環境，實現廢水資源化等多重意義。由於反滲透膜對進水要求較高，運用反滲透技術對廢水進行深度處理時，往往還要結合沉降、混凝、微濾、超濾、活性炭吸收、pH調節等預處理工藝。
重金屬廢水處理
反滲透技術在重金屬廢水處理中套用較早，國內外均對此進行了大量的研究。早在20世紀70年代，反滲透技術已經在電鍍廢水處理中有所套用，主要是大規模用於鍍鎳、鉻、鋅漂洗水和混合重金屬廢水的處理。
膜分離技術濃縮電鍍鎳漂洗水，鎳離子的截留率大於99%，經一級納濾和兩級反滲透濃縮後，濃縮液中鎳離子濃度達到50g·L-1，透過液可經處理後再次回用。張連凱對印製電路板加工酸洗車間產生的重金屬廢水調節pH至中性後採用超濾+反滲透工藝進行中試，反滲透系統對Cu2+和溶解性總固體的去除率分別為99.9%和98.9%。
印染廢水處理
印染紡織廢水不僅色度高、水量大，而且成分十分複雜，廢水中含有染料、漿料、油劑、助劑、酸鹼、纖維雜質以及無機鹽等，染料結構中還含有很多較大生物毒性的物質，如硝基和胺類化合物以及銅、鉻、鋅、砷等重金屬元素，如不經處理直接排放，必將對環境造成嚴重污染。
超濾+反滲透雙膜技術處理印染廢水，超濾能夠有效地去除廢水中大分子有機物，降低濁度，使進水水質達到反滲透膜的要求，經反滲透處理後，有機物和鹽的去除率可分別達99%和93% 以上，產水化學需氧量小於10mg·L-1，電導率小於80μS·cm-1，產水滿足大部分印染工藝用水標準。鐘璟採用中空纖維超濾膜和反滲透技術處理羊毛印染廢水，操作壓力為0.1MPa，流速為1500L·h-1的條件下，色度、含鹽量等指標均有顯著的降低，COD值、色度達標排放。
電廠循環廢水處理
電廠循環冷卻水系統對水的消耗量很大，占到純火力發電廠用水的80%，熱電廠用水的50%以上，對循環排放水進行回收處理，產水作為循環補充水或鍋爐補給水系統的水源，不僅防止了對環境造成污染，還可以有效節約水資源，降低生產成本。
超濾+反滲透技術聯合操作對電廠循環排污水進行處理，投運以來，反滲透系統運行良好，產水量68m3·h-1，電導率小於35μS·cm-1，脫鹽率高於97%。雙膜法水處理工藝，經過超濾+二級反滲透+混床處理後的精脫鹽水可供電廠鍋爐及乾熄焦使用，日產精脫鹽水15000t。超濾—反滲透組合工藝處理循環冷卻排污水做了現場試驗，反滲透系統各段運行壓力平穩，產水滿足回用的要求。陳穎敏採用連續微濾 + 反滲透技術對循環排污水進行預除鹽，反滲透系統脫鹽率達98%以上。
化工廢水處理
採用離子交換法生產K2CO3的生產過程中，會產生大量的NH4Cl廢水，為了節約用水和徹底解決NH4Cl廢水排放問題，張繼臻採用選擇離子交換、反滲透膜分離和低溫多效閃蒸相結合的方法，將低濃度NH4Cl廢水進一步濃縮回收，使廢水由達標排放轉變為全部回收利用，達到零排放。
石油化工廢水成分複雜，除含有油、硫、苯、酚、氰、環烷酸等有機物以外，還含有金屬鹽、反應殘渣等，污染物濃度高且難降解，水量及酸鹼度波動較大，傳統的水處理工藝很難達到資源回收再利用的 目的。
反滲透一般作為工業廢水終端處理，對水中的無機鹽、有機物、重金屬離子等都有很高的截留率，出水水質優良，可回用作冷卻水或工藝用水循環利用，不僅節約了新鮮水的使用量，節約生產成本，還減少了污水的排放量，對環境保護和可持續發展都有著重要意義，對缺水地區具有巨大的經濟效益。
研究進展
反滲透具有低能耗、高效率等突出優點，是目前套用最為廣泛的分離技術之一。反滲透膜的性能是影響反滲透過程效率的決定因素，反滲透膜的研製一直是國內外膜領域的研究熱點。特別是近年來，石墨烯、碳納米管等新型材料展現出優異的水傳遞行為，成為新型反滲透膜材料的研究熱點。
反滲透膜主要通過膜的脫鹽率、水通量和耐氯抗污染性能等指標進行考量。脫鹽率是決定反滲透膜套用可行性的關鍵指標; 提高膜的水通量則能夠降低壓力能耗、操作成本和膜清洗成本; 提高膜的耐氯及抗污染性能可以提升膜的穩定性能，延長膜的使用壽命，降低處理及清洗成本。聚醯胺 滲透膜通過氨基基團(R-NH2) 和醯氯基團( R’ —COCl) 縮聚脫除 HCl 製備。單體側鏈基團的多樣性和理論上的可修飾性為膜的結構和性能調變提供了空間。近年來，圍繞提高反滲透膜的脫鹽率和水通量、改善耐污染性能，通過套用多種聚合反應單體、改進成膜後處理方法，對聚醯胺反滲透膜進行了大量相關研究。
在反滲透膜基礎研究層面，如何通過材料特性 的設計與調控，突破反滲透膜脫鹽率與水通量的相互制約關係仍需深入探討，主要包括: 1) 成膜反應單體性質與膜結構和膜性能的關係，新型反應單體的設計與合成。2) 混合基質膜中添加的一維及二維材料的取向排布方法，建立有效水通道。3) 解決有機/無機納米粒子在界面聚合反應中的分散性問 題，使得粒子的加入對膜分離性能和通量起到提高作用。4) 無機材料性質及複合有機/無機納米粒子對反滲透複合膜結構、分離性能的影響機制及膜傳遞機理的規律性、機理性認識。5) 各種新型反滲透膜的構效關係，長期套用條件下的膜性能的演變規律的研究也有待開展。
反滲透膜在水處理和海水苦鹹水淡化方面發揮了重要作用，隨著我國最嚴格“水十條”的實施，可以預見反滲透水處理技術和新型反滲透膜研製 將迎來新的發展機遇。在商品化反滲透膜方面，我國與國外產品性能差距較大。可能的原因是缺乏對規模化連續生產條件下成膜反應-膜結構-膜效能關係的充分認識。開展成膜反應機制與膜性能調控研究、連續化成膜條件控制與膜結構關係、膜產品套用性能評價等將是規模化反滲透膜研究的方向。
