反滲透原理

當(dāng)把相同體積的稀溶液和濃液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，濃溶液側(cè)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(tài)，此種壓力差即為滲透壓。若在濃溶液側(cè)施加一個大于滲透壓的壓力時，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。

1.起源于

zui早使用于美國太空人將尿液回收為純水使用。醫(yī)學(xué)界還以反滲透法的技術(shù)用來洗腎（血液透析）。反滲透膜可以將重金屬、農(nóng)藥、細菌、病毒、雜質(zhì)等*分離。整個工作原理均采用物理法，不添加任何殺菌劑和化學(xué)物質(zhì)，所以不會發(fā)生化學(xué)變相。并且反滲透膜并不分離溶解氧，所以通過此法生產(chǎn)得出的純水是活水，喝起來清甜可口。

反滲透，英文為Reverse Osmosis，它所描繪的是一個自然界中水分自然滲透過程的反向過程。早在1950年美國科學(xué)家DR.S.Sourirajan有一回?zé)o意中發(fā)現(xiàn)海鷗在海上飛行時從海面啜起一大口海水，隔了幾秒后吐出一小口的海水。他由此而產(chǎn)生疑問：陸地上由肺呼吸的動物是無法飲用高鹽份的海水，那為什么海鷗就可以飲用海水呢？這位科學(xué)家把海鷗帶回了實驗室，經(jīng)過解剖發(fā)現(xiàn)在海鷗嗉囊位置有一層薄膜，該薄膜構(gòu)造非常精密。海鷗正是利用了這薄膜把海水過濾為可飲用的淡水，而含有雜質(zhì)及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴外。這就是以后逆滲透法（Reverse Osmosis 簡稱 R.O）的基本理論架構(gòu)。

2.工作原理

對透過的物質(zhì)具有選擇性的薄膜稱為半透膜，一般將只能透過溶劑而不能透過溶質(zhì)的薄膜稱之為理想半透膜。當(dāng)把相同體積的稀溶液(例如淡水)和濃溶液(例如鹽水)分別置于半透膜的兩側(cè)時，稀溶液中的溶劑將自然穿過半透膜而自發(fā)地向濃溶液一側(cè)流動，這一現(xiàn)象稱為滲透。當(dāng)滲透達到平衡時，濃溶液側(cè)的液面會比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一個壓差，此壓差即為滲透壓。滲透壓的大小取決于溶液的固有性質(zhì)，即與濃溶液的種類、濃度和溫度有關(guān)而與半透膜的性質(zhì)無關(guān)。若在濃溶液一側(cè)施加一個大于滲透壓的壓力時，溶劑的流動方向?qū)⑴c原來的滲透方向相反，開始從濃溶液向稀溶液一側(cè)流動，這一過程稱為反滲透。 反滲透是滲透的一種反向遷移運動，是一種在壓力驅(qū)動下，借助于半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分開的分離方法，它已廣泛應(yīng)用于各種液體的提純與濃縮，其中zui普遍的應(yīng)用實例便是在水處理工藝中，用反滲透技術(shù)將原水中的無機離子、細菌、病毒、有機物及膠體等雜質(zhì)去除，以獲得高質(zhì)量的純凈水。

3.技術(shù)基礎(chǔ)

滲透膜早已存在于自然界中，但直到1748年，Nollet發(fā)現(xiàn)水能自然的擴散到裝有酒精溶液的豬膀胱內(nèi)，人類才發(fā)現(xiàn)了滲透現(xiàn)象。

自然的滲透過程中，溶劑通過滲透膜從低濃度向高濃度部分擴散;而反滲透是指在外界壓力作用下，濃溶液中的溶劑透過膜向稀溶液中擴散，具有這種功能的半透膜稱為反滲透膜，也稱RO(Reverse Osmoses)膜。

經(jīng)湖南精誠制藥機械有限公司整理，目前世界上從反滲透過程的傳質(zhì)機理及模型來說，主要有三種學(xué)說：

1、溶解-擴散模型

Lonsdale等人提出解釋反滲透現(xiàn)象的溶解-擴散模型。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)勢推動下擴散通過膜。溶解度的差異及溶質(zhì)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：*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，他們在各自化學(xué)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(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、第三步進行的很快，此時透過速率取決于第二步，即溶質(zhì)和溶劑在化學(xué)位差的推動下以分子擴散方式通過膜。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，不僅取決于擴散系數(shù)，并且決定于其在膜中的溶解度。

溶劑和溶質(zhì)在膜中的擴散服從Fick定律，這種模型認為溶劑和溶質(zhì)都可能溶于膜表面，因此物質(zhì)的滲透能力不僅取決于擴散系數(shù)，而且取決于其在膜中的溶解度，溶質(zhì)的擴散系數(shù)比水分子的擴散系數(shù)要小得多，因而透過膜的水分子數(shù)量就比通過擴散而透過去的溶質(zhì)數(shù)量更多。

2、 優(yōu)先吸附—毛細孔流理論

當(dāng)液體中溶有不同種類物質(zhì)時，其表面張力將發(fā)生不同的變化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有機物質(zhì)，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(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，若膜的化學(xué)性質(zhì)使膜對溶質(zhì)負吸附，對水是優(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孔，從而可獲取純水。

3、 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入結(jié)合水，并以有序擴散方式遷移，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——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活化點并形成新的氫鍵，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入膜的多孔層。由于多孔層含有大量的毛細管水，水分子能夠暢通流出膜外。

4主要指標(biāo)

1、脫鹽率和透鹽率

脫鹽率——通過反滲透膜從系統(tǒng)進水中去除可溶性雜質(zhì)濃度的百分比。

透鹽率——進水中可溶性雜質(zhì)透過膜的百分比。

脫鹽率=(1–產(chǎn)水含鹽量/進水含鹽量)×100%

透鹽率=100%–脫鹽率

膜元件的脫鹽率在其制造成形時就已確定，脫鹽率的高低取決于膜元件表面超薄脫鹽層的致密度，脫鹽層越致密脫鹽率越高，同時產(chǎn)水量越低。反滲透對不同物質(zhì)的脫鹽率主要由物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和分子量決定，對高價離子及復(fù)雜單價離子的脫鹽率可以超過99%，對單價離子如：鈉離子、鉀離子、氯離子的脫鹽率稍低，但也超過了98%;對分子量大于100的有機物脫除率也可過到98%，但對分子量小于100的有機物脫除率較低。

2、產(chǎn)水量(水通量)

產(chǎn)水量(水通量)——指反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)能，即單位時間內(nèi)透過膜水量，通常用噸/小時或加侖/天來表示。

滲透流率——滲透流率也是表示反滲透膜元件產(chǎn)水量的重要指標(biāo)。指單位膜面積上透過液的流率，通常用加侖每平方英尺每天(GFD)表示。過高的滲透流率將導(dǎo)致垂直于膜表面的水流速加快，加劇膜污染。

3、回收率

回收率——指膜系統(tǒng)中給水轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)水或透過液的百分比。膜系統(tǒng)的回收率在設(shè)計時就已經(jīng)確定，是基于預(yù)設(shè)的進水水質(zhì)而定的。

回收率=(產(chǎn)水流量/進水流量)×100%

5影響因素

1、進水壓力對反滲透膜的影響

進水壓力本身并不會影響鹽透過量，但是進水壓力升高使得驅(qū)動反滲透的凈壓力升高，使得產(chǎn)水量加大，同時鹽透過量幾乎不變，增加的產(chǎn)水量稀釋了透過膜的鹽分，降低了透鹽率，提高脫鹽率。當(dāng)進水壓力超過一定值時，由于過高的回收率，加大了濃差極化，又會導(dǎo)致鹽透過量增加，抵消了增加的產(chǎn)水量，使得脫鹽率不再增加。

2、進水溫度對反滲透膜的影響

反滲透膜產(chǎn)水電導(dǎo)對進水水溫的變化十分敏感，隨著水溫的增加水對通量也線性的增加，進水水溫每升高1℃，產(chǎn)水量就2.5%-3.0%;(以25℃為標(biāo)準(zhǔn))。

3、進水PH值對反滲透膜的影響

進水PH值對產(chǎn)水量幾乎沒有影響，面對脫鹽率有較大影響。PH值在7.5-8.5之間，脫鹽率達到zui高。

4、進水鹽濃度對反滲透膜的影響

滲透壓是水中所含鹽分或有機物濃度的函數(shù)，進水含鹽量越高，濃度差也越大，透鹽率上升，從而導(dǎo)致脫鹽率下降。

在水處理方面使用反滲透技術(shù)在*的*度：

1、Harvard美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院檢驗合格。

2、美國國家衛(wèi)生試驗所檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

National Sanitation Foundation Testing Laboratory Seal

3、美國LOMA LINDA大學(xué)醫(yī)學(xué)院檢驗合格。

4、美國加州ORANGE COUNTY自來水管理局獎賞。

5、Dr.T.C.McDANIEL美國醫(yī)學(xué)學(xué)會推薦。

6、Wcts檢驗合格。

7、CCEL檢驗超標(biāo)準(zhǔn)。

8、NASA美國太空總署采用航天飛機裝備。

9、Coca cola（可口可樂）公司采用。

10、美國*采用使海水變淡水。

中國建設(shè)部指出：反滲透技術(shù)在未來20年內(nèi)將是zui有效、zui關(guān)鍵的水處理方式。這就是說純水機的誕生無疑是飲用水市場發(fā)展的必然規(guī)律。

6機理

概述

對透過的物質(zhì)具有選擇性的薄膜成為半透膜。一般將只能透過溶劑而不能透過溶質(zhì)的薄膜視為理想的半透膜。當(dāng)把相同體積的稀溶液和濃液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，濃溶液側(cè)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(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)施加一個大于滲透壓的壓力時，濃溶液中的溶劑就會向稀溶液流動，即發(fā)生反滲透。

經(jīng)典模型

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

2.溶解擴散模型：不認為有孔。

3.干閉濕開模型：上工世紀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zui貼切的逆滲透機理模型。“干閉濕開”反滲透模型，統(tǒng)一了兩個zui經(jīng)典的反滲透機制模型，細孔模型，溶解擴散模型。即

膜干時，膜孔收縮致密，孔隙閉合，電鏡下看不到；

膜濕時，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。

海水淡化技術(shù):非加壓吸附滲透海水淡化法

上個世紀90年代鄧宇的發(fā)明，《美國化學(xué)文摘》收錄

7用途

食品、飲料、純凈水生產(chǎn)工藝中；