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    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
    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(lèi),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(chēng)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:第一步,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)第一步、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。
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    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)最嚴(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。 [4] 反滲透原理 編輯
    本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫(xiě)與應(yīng)用工作項(xiàng)目 審核 。
    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(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。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(chēng)為反滲透。
    中文名 反滲透原理 外文名 Reverse Osmosis 主要指標(biāo) 脫鹽率和透鹽率,產(chǎn)水量,回收率 影響因素 進(jìn)水壓力,溫度,PH值,鹽濃度 過(guò) 程 水分自然滲透過(guò)程的反向過(guò)程 物 質(zhì) 反滲透膜
    目錄
    1 起源
    2 工作原理
    3 技術(shù)基礎(chǔ)
    4 主要指標(biāo)
    5 影響因素
    6 機(jī)理
    ? 概述
    ? 經(jīng)典模型
    7 用途
    起源編輯
    最早使用于美國(guó)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(lái)洗腎(血液透析)。反滲透膜可以將重金屬、農(nóng)藥、細(xì)菌、病毒、雜質(zhì)等徹底分離。整個(gè)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(huì)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(guò)此法生產(chǎn)得出的純水是活水,喝起來(lái)清甜可口。
    反滲透,英文為Reverse Osmosis,它所描繪的是一個(gè)自然界中水分自然滲透過(guò)程的反向過(guò)程。早在1950年美國(guó)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(shí)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(wèn):陸地上由肺呼吸的動(dòng)物是絕對(duì)無(wú)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(shí)驗(yàn)室,經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiǎn)稱(chēng) R.O)的基本理論架構(gòu) [1] 。
    工作原理編輯
    對(duì)透過(guò)的物質(zhì)具有選擇性的薄膜稱(chēng)為半透膜,一般將只能透過(guò)溶劑而不能透過(guò)溶質(zhì)的薄膜稱(chēng)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(shí),稀溶液中的溶劑將自然穿過(guò)半透膜而自發(fā)地向濃溶液一側(cè)流動(dòng),這一現(xiàn)象稱(chēng)為滲透。當(dāng)滲透達(dá)到平衡時(shí),濃溶液側(cè)的液面會(huì)比稀溶液的液面高出一定高度,即形成一個(gè)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(lèi)、濃度和溫度有關(guān)而與半透膜的性質(zhì)無(wú)關(guān)。
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    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(guò)液的百分比。膜系統(tǒng)的回收率在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定,是基于預(yù)設(shè)的進(jìn)水水質(zhì)而定的。
    回收率=(產(chǎn)水流量/進(jìn)水流量)×100%
    影響因素編輯
    1、進(jìn)水壓力對(duì)反滲透膜的影響
    進(jìn)水壓力本身并不會(huì)影響鹽透過(guò)量,但是進(jìn)水壓力升高使得驅(qū)動(dòng)反滲透的凈壓力升高,使得產(chǎn)水量加大,同時(shí)鹽透過(guò)量幾乎不變,增加的產(chǎn)水量稀釋了透過(guò)膜的鹽分,降低了透鹽率,提高脫鹽率。當(dāng)進(jìn)水壓力超過(guò)一定值時(shí),由于過(guò)高的回收率,加大了濃差極化,又會(huì)導(dǎo)致鹽透過(guò)量增加,抵消了增加的產(chǎn)水量,使得脫鹽率不再增加。
    2、進(jìn)水溫度對(duì)反滲透膜的影響
    反滲透膜產(chǎn)水電導(dǎo)對(duì)進(jìn)水水溫的變化十分敏感,隨著水溫的增加水對(duì)通量也線(xiàn)性的增加,進(jìn)水水溫每升高1℃,產(chǎn)水量就提升2.5%-3.0%;(以25℃為標(biāo)準(zhǔn))。
    3、進(jìn)水PH值對(duì)反滲透膜的影響
    進(jìn)水PH值對(duì)產(chǎn)水量幾乎沒(méi)有影響,面對(duì)脫鹽率有較大影響。PH值在7.5-8.5之間,脫鹽率達(dá)到最高。
    4、進(jìn)水鹽濃度對(duì)反滲透膜的影響
    滲透壓是水中所含鹽分或有機(jī)物濃度的函數(shù),進(jìn)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)在全世界的公認(rèn)度:
    1、Harvard美國(guó)哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院檢驗(yàn)合格。
    2、美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生試驗(yàn)所檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
    National Sanitation Foundation Testing Laboratory Seal
    3、美國(guó)LOMA LINDA大學(xué)醫(yī)學(xué)院檢驗(yàn)合格。
    4、美國(guó)加州ORANGE COUNTY自來(lái)水管理局獎(jiǎng)賞。
    5、Dr.T.C.McDANIEL美國(guó)醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)推薦。
    6、Wcts檢驗(yàn)合格。
    7、CCEL檢驗(yàn)超標(biāo)準(zhǔn)。
    8、NASA美國(guó)太空總署采用航天飛機(jī)裝備。
    9、Coca cola(可口可樂(lè))公司采用。
    10、美國(guó)海軍采用使海水變淡水。
    中國(guó)建設(shè)部指出:反滲透技術(shù)在未來(lái)20年內(nèi)將是最有效、最關(guān)鍵的水處理方式。這就是說(shuō)純水機(jī)的誕生無(wú)疑是飲用水市場(chǎng)發(fā)展的必然規(guī)律 [1] 。
    優(yōu)先吸附—毛細(xì)孔流理論
    當(dāng)液體中溶有不同種類(lèi)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(lèi),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
    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第一個(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)代最貼切的逆滲透機(jī)理模型。既“干閉濕開(kāi)”反滲透模型,統(tǒng)一了兩個(gè)最經(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
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    與其他傳統(tǒng)分離工程相比,反滲透分離過(guò)程有其獨(dú)特的優(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。
    全世界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)比較領(lǐng)先,2005年阿什克倫建造了當(dāng)時(shí)世界上最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)最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徹底除鹽的不足,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)用最多的一個(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(chē)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(lèi)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(mǎn)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。
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