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定義

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(guò)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(guò)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： 

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：

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(wú)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(guò)程簡(jiǎn)單，能耗低，近20年來(lái)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(jiàn)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(kāi)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(shù)脂的負(fù)荷減輕松90%以上，樹(shù)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(shù)脂的污染，延長(zhǎng)使用壽命都有著良好的作用。

滲透反滲透對(duì)比

基本原理

編輯

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(guò)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(wú)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(lái)滲透的方向相反，這一過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)膜的能量大小。其具體過(guò)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(méi)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(guò)反滲透膜的活性層；第三步，溶質(zhì)和溶劑在膜的透過(guò)液側(cè)表面解吸。

在以上溶質(zhì)和溶劑透過(guò)膜的過(guò)程中，一般假設(shè)步、第三步進(jìn)行的很快，此時(shí)透過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)膜表面的毛細(xì)孔，從而可獲取純水。

氫鍵理論

水在醋酸纖維素膜中的傳遞

醋酸纖維素(一種半透膜材料)是一種具有高度有序矩陣結(jié)構(gòu)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(dòng)的作用下，以氫鍵結(jié)合進(jìn)入醋酸纖維素膜的水分子能夠由個(gè)氫鍵位置斷裂而轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置形成另一個(gè)氫鍵。這些水分子通過(guò)一連串的形成氫鍵和斷裂氫鍵而不斷移位，直至離開(kāi)膜的表皮層而進(jìn)入多空性支撐層后，就很快地源源流出淡水。 [1] 

機(jī)理模型

統(tǒng)一的“干閉濕開(kāi)”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(méi)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(kāi)模型：上個(gè)世紀(jì)80，90年代，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(kāi)”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(kāi)。合并就是“干閉濕開(kāi)”脫鹽模型。

水處理應(yīng)用

編輯

與其他傳統(tǒng)分離工程相比，反滲透分離過(guò)程有其*的優(yōu)勢(shì)：（1）壓力是反滲透分離過(guò)程的主動(dòng)力，不經(jīng)過(guò)能量密集交換的相變，能耗低；（2）反滲透不需要大量的沉淀劑和吸附劑，運(yùn)行成本低；（3）反滲透分離工程設(shè)計(jì)和操作簡(jiǎn)單，建設(shè)周期短；（4）反滲透凈化效率高，環(huán)境友好。因此，反滲透技術(shù)在生活和工業(yè)水處理中已有廣泛應(yīng)用，如海水和苦咸水淡化、醫(yī)用和工業(yè)用水的生產(chǎn)、純水和超純水的制備、工業(yè)廢水處理、食品加工濃縮、氣體分離等。

海水和苦咸水淡化

20世紀(jì)60年代以來(lái)，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(shù)主要應(yīng)用在兩個(gè)方面：海水淡化和苦咸水脫鹽。

*海水淡化裝置中約有30%是利用反滲透技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)反滲透膜可除去海水中99%以上的鹽離子， [2]  得到可飲用的淡水。以色列的反滲透海水淡化技術(shù)比較，2005年阿什克倫建造了當(dāng)時(shí)世界上大的反滲透海水淡化裝置，產(chǎn)水量為3.3×105m3·d-1，占到以色列全部水需求量的15%，產(chǎn)水成本約為0.53美元·m-3。我國(guó)大的反滲透海水淡化站位于大連市長(zhǎng)海縣。

苦咸水在我國(guó)北方地區(qū)分布較為廣泛，含鹽離子較多，可通過(guò)反滲透技術(shù)進(jìn)行除鹽淡化處理，達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。馬蓮河流域示范工程利用馬蓮河上游環(huán)江苦咸水資源，采用反滲透膜技術(shù)，建立1000m3·d-1苦咸水淡化工程，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，有效解決了環(huán)縣城區(qū)5萬(wàn)居民飲水問(wèn)題。何緒文、姚永毅、孫魏等均對(duì)苦咸水進(jìn)行過(guò)反滲透處理的實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)脫鹽率>95%，出水水質(zhì)優(yōu)于國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

海水和苦咸水淡化是反滲透技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，目前存在的問(wèn)題仍然是操作壓力偏高，能耗較大，另外海水中的Cl-對(duì)反滲透膜也有較大的污染，阻礙了反滲透技術(shù)在該領(lǐng)域的進(jìn)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(fā)之中，以便從根本上解決現(xiàn)在存在的問(wèn)題。

純水和超純水的制備

反滲透+混床水處理技術(shù)改進(jìn)了原來(lái)的全離子交換制水工藝，運(yùn)行期間，產(chǎn)水增加，水質(zhì)改善，大幅度降低了制水成本。此外，許多科研人員均對(duì)反滲透+電去離子法制取純水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果，證實(shí)了反滲透+電去離子法制取高純水的可行性。通過(guò)控制反滲透的級(jí)數(shù)可制取不同純度脫鹽水。隨著反滲透級(jí)數(shù)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(huì)超過(guò)二級(jí)，通常將反滲透與電去離子技術(shù)聯(lián)用，不僅克服了反滲透出水不能*除鹽的不足，還可以提高電去離子裝置的進(jìn)水水質(zhì)，防止電去離子設(shè)備損壞，提高整體凈水效果。

工業(yè)廢水處理

工業(yè)廢水處理是除脫鹽和純水的制備領(lǐng)域外，反滲透技術(shù)應(yīng)用多的一個(gè)領(lǐng)域。工業(yè)廢水處理具有降低生產(chǎn)成本，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)廢水資源化等多重意義。由于反滲透膜對(duì)進(jìn)水要求較高，運(yùn)用反滲透技術(shù)對(duì)廢水進(jìn)行深度處理時(shí)，往往還要結(jié)合沉降、混凝、微濾、超濾、活性炭吸收、pH調(diào)節(jié)等預(yù)處理工藝。

重金屬?gòu)U水處理

反滲透技術(shù)在重金屬?gòu)U水處理中應(yīng)用較早，國(guó)內(nèi)外均對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。早在20世紀(jì)70年代，反滲透技術(shù)已經(jīng)在電鍍廢水處理中有所應(yīng)用，主要是大規(guī)模用于鍍鎳、鉻、鋅漂洗水和混合重金屬?gòu)U水的處理。

膜分離技術(shù)濃縮電鍍鎳漂洗水，鎳離子的截留率大于99%，經(jīng)一級(jí)納濾和兩級(jí)反滲透濃縮后，濃縮液中鎳離子濃度達(dá)到50g·L-1，透過(guò)液可經(jīng)處理后再次回用。張連凱對(duì)印制電路板加工酸洗車間產(chǎn)生的重金屬?gòu)U水調(diào)節(jié)pH至中性后采用超濾+反滲透工藝進(jìn)行中試，反滲透系統(tǒng)對(duì)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，而且成分十分復(fù)雜，廢水中含有染料、漿料、油劑、助劑、酸堿、纖維雜質(zhì)以及無(wú)機(jī)鹽等，染料結(jié)構(gòu)中還含有很多較大生物毒性的物質(zhì)，如硝基和胺類化合物以及銅、鉻、鋅、砷等重金屬元素，如不經(jīng)處理直接排放，必將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

超濾+反滲透雙膜技術(shù)處理印染廢水，超濾能夠有效地去除廢水中大分子有機(jī)物，降低濁度，使進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到反滲透膜的要求，經(jīng)反滲透處理后，有機(jī)物和鹽的去除率可分別達(dá)99%和93% 以上，產(chǎn)水化學(xué)需氧量小于10mg·L-1，電導(dǎo)率小于80μS·cm-1，產(chǎn)水滿足大部分印染工藝用水標(biāo)準(zhǔn)。鐘璟采用中空纖維超濾膜和反滲透技術(shù)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(biāo)均有顯著的降低，COD值、色度達(dá)標(biāo)排放。

電廠循環(huán)廢水處理

電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)水的消耗量很大，占到純火力發(fā)電廠用水的80%，熱電廠用水的50%以上，對(duì)循環(huán)排放水進(jìn)行回收處理，產(chǎn)水作為循環(huán)補(bǔ)充水或鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的水源，不僅防止了對(duì)環(huán)境造成污染，還可以有效節(jié)約水資源，降低生產(chǎn)成本。

超濾+反滲透技術(shù)聯(lián)合操作對(duì)電廠循環(huán)排污水進(jìn)行處理，投運(yùn)以來(lái)，反滲透系統(tǒng)運(yùn)行良好，產(chǎn)水量68m3·h-1，電導(dǎo)率小于35μS·cm-1，脫鹽率高于97%。雙膜法水處理工藝，經(jīng)過(guò)超濾+二級(jí)反滲透+混床處理后的精脫鹽水可供電廠鍋爐及干熄焦使用，日產(chǎn)精脫鹽水15000t。超濾—反滲透組合工藝處理循環(huán)冷卻排污水做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，反滲透系統(tǒng)各段運(yùn)行壓力平穩(wěn)，產(chǎn)水滿足回用的要求。陳穎敏采用連續(xù)微濾 + 反滲透技術(shù)對(duì)循環(huán)排污水進(jìn)行預(yù)除鹽，反滲透系統(tǒng)脫鹽率達(dá)98%以上。

化工廢水處理

采用離子交換法生產(chǎn)K2CO3的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的NH4Cl廢水，為了節(jié)約用水和*解決NH4Cl廢水排放問(wèn)題，張繼臻采用選擇離子交換、反滲透膜分離和低溫多效閃蒸相結(jié)合的方法，將低濃度NH4Cl廢水進(jìn)一步濃縮回收，使廢水由達(dá)標(biāo)排放轉(zhuǎn)變?yōu)槿炕厥绽茫_(dá)到*。

石油化工廢水成分復(fù)雜，除含有油、硫、苯、酚、氰、環(huán)烷酸等有機(jī)物以外，還含有金屬鹽、反應(yīng)殘?jiān)龋廴疚餄舛雀咔译y降解，水量及酸堿度波動(dòng)較大，傳統(tǒng)的水處理工藝很難達(dá)到資源回收再利用的 目的。

反滲透一般作為工業(yè)廢水終端處理，對(duì)水中的無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物、重金屬離子等都有很高的截留率，出水水質(zhì)優(yōu)良，可回用作冷卻水或工藝用水循環(huán)利用，不僅節(jié)約了新鮮水的使用量，節(jié)約生產(chǎn)成本，還減少了污水的排放量，對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展都有著重要意義，對(duì)缺水地區(qū)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 [3] 

研究進(jìn)展

編輯

反滲透具有低能耗、率等突出優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用為廣泛的分離技術(shù)之一。反滲透膜的性能是影響反滲透過(guò)程效率的決定因素，反滲透膜的研制一直是國(guó)內(nèi)外膜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特別是近年來(lái)，石墨烯、碳納米管等新型材料展現(xiàn)出優(yōu)異的水傳遞行為，成為新型反滲透膜材料的研究熱點(diǎn)。

反滲透膜主要通過(guò)膜的脫鹽率、水通量和耐氯抗污染性能等指標(biāo)進(jìn)行考量。脫鹽率是決定反滲透膜應(yīng)用可行性的關(guān)鍵指標(biāo); 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(wěn)定性能，延長(zhǎng)膜的使用壽命，降低處理及清洗成本。聚酰胺 滲透膜通過(guò)氨基基團(tuán)(R-NH2) 和酰氯基團(tuán)( R’ —COCl) 縮聚脫除 HCl 制備。單體側(cè)鏈基團(tuán)的多樣性和理論上的可修飾性為膜的結(jié)構(gòu)和性能調(diào)變提供了空間。近年來(lái)，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(guò)應(yīng)用多種聚合反應(yīng)單體、改進(jìn)成膜后處理方法，對(duì)聚酰胺反滲透膜進(jìn)行了大量相關(guān)研究。

在反滲透膜基礎(chǔ)研究層面，如何通過(guò)材料特性 的設(shè)計(jì)與調(diào)控，突破反滲透膜脫鹽率與水通量的相互制約關(guān)系仍需深入探討，主要包括: 1) 成膜反應(yīng)單體性質(zhì)與膜結(jié)構(gòu)和膜性能的關(guān)系，新型反應(yīng)單體的設(shè)計(jì)與合成。2) 混合基質(zhì)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(jī)/無(wú)機(jī)納米粒子在界面聚合反應(yīng)中的分散性問(wèn) 題，使得粒子的加入對(duì)膜分離性能和通量起到提高作用。4) 無(wú)機(jī)材料性質(zhì)及復(fù)合有機(jī)/無(wú)機(jī)納米粒子對(duì)反滲透復(fù)合膜結(jié)構(gòu)、分離性能的影響機(jī)制及膜傳遞機(jī)理的規(guī)律性、機(jī)理性認(rèn)識(shí)。5) 各種新型反滲透膜的構(gòu)效關(guān)系，長(zhǎng)期應(yīng)用條件下的膜性能的演變規(guī)律的研究也有待開(kāi)展。

反滲透膜在水處理和海水苦咸水淡化方面發(fā)揮了重要作用，隨著我國(guó)嚴(yán)格“水十條”的實(shí)施，可以預(yù)見(jiàn)反滲透水處理技術(shù)和新型反滲透膜研制 將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。在商品化反滲透膜方面，我國(guó)與國(guó)外產(chǎn)品性能差距較大?？赡艿脑蚴侨狈?duì)規(guī)模化連續(xù)生產(chǎn)條件下成膜反應(yīng)-膜結(jié)構(gòu)-膜效能關(guān)系的充分認(rèn)識(shí)。開(kāi)展成膜反應(yīng)機(jī)制與膜性能調(diào)控研究、連續(xù)化成膜條件控制與膜結(jié)構(gòu)關(guān)系、膜產(chǎn)品應(yīng)用性能評(píng)價(jià)等將是規(guī)?；礉B透膜研究的方向。