反滲透
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中文名: 反滲透 外文名: reverse osmosis 別 名: 逆滲透 表達式: N=Kh(Δp－Δπ) 適用領域: 海水、苦鹹水的淡化；水的軟化處理 應用學科: 物理化學 機理模型: 優先吸附毛細孔模型等 |
反滲透又稱逆滲透，是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，溶劑會逆着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。
因為它和自然滲透的方向相反，故稱反滲透。根據各種物料的不同滲透壓，就可以使用大於滲透壓的反滲透壓力，即反滲透法，達到分離、提取、純化和濃縮的目的。[1]
目錄
定義
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：
式中i為溶質分子電離生成的離子數；c為溶質的摩爾濃度；R為摩爾氣體常數；T為絕對溫度。
反滲透通常使用非對稱膜和複合膜。反滲透所用的設備，主要是中空纖維式或卷式的膜分離設備。
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。現已大規模應用于海水和苦鹹水淡化、鍋爐用水軟化和廢水處理，並與離子交換結合製取高純水，其應用範圍正在擴大，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。
反滲透技術通常用于海水、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，反滲透技術應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，延長使用壽命都有着良好的作用。
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
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着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。
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，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。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。
機理模型
統一的「干閉濕開」反滲透機理模型，有幾個經典模型：
1.優先吸附毛細孔模型：弱點干態膜電鏡下，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.干閉濕開模型：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「干閉濕開」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。
膜干時，膜孔收縮緻密，孔隙閉合，電鏡下看不到製成干態備鏡檢的干膜；
膜濕時，膜材料溶脹，膜的孔隙被溶劑溶脹，孔打開。合併就是「干閉濕開」脫鹽模型。
水處理應用
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應用，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。反滲透脫鹽技術主要應用在兩個方面：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應用領域，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。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。隨着反滲透級數的增加，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，反滲透技術應用最多的一個領域。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應用較早，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應用，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。鍾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干熄焦使用，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着重要意義，對缺水地區具有巨大的經濟效益。
參考來源