实验室纯水系统设计之反渗透技术

　　反渗透法是一项新型隔膜分离技术。反渗透是利用反渗透膜半渗透性质，水和某些溶剂可透过这种膜，而其他溶质以及任何颗粒均不能通过，从而把溶液中的溶剂（一般常指水）分离出来。电渗析虽然和反渗透均属于膜分离范畴，但电渗析是通过离子交换膜将溶液中的离子有选择性的透过，而不让水透过。因此反渗透分离的对象主要是溶液中的离子范围，标志着经典的过滤方法向着精细的分离方向发展。它与其他一些过滤过程的分离在颗粒大小方面的范围。

　　（1）反渗透原理

　　 ①渗透与反渗透

　　 如果将纯水和盐水（或两种不同浓度的溶液）用一种只能透过水而不能透过溶质的半渗透膜隔开，纯水就会自然地透过半透膜渗透到盐水（或从低浓度溶液渗透至高浓度溶液）一侧，这种现象叫做渗透。当渗透进行到盐水一侧的液面达到某一高度而产生一个渗透压头，从而抵制了纯水进一步向盐水一侧渗透，渗透的自然趋势被压头所抵消而达到平衡，这一平衡压力称为参透压，这时达到一种渗透平衡状态。

　　如果在盐水一侧加上一个大于渗透压力P，则盐水中的水分就从盐水一侧透过半透膜渗透至纯水的一侧，盐水中的盐分即被截留（浓度变大即浓缩），这种现象就称为反渗透。

　　反渗透法使用的半透膜的特点是透水量大，脱盐率高，它使水通过，同时截留90%～99%的溶解无机物质，95%～99%的有机物组分和100%的最微细的胶体物质（如细菌、病毒、胶体SiO2等）。膜的除盐效率可达90%～99%，即它们的盐分透过率为1%～10%之间。

　　②反渗透的脱盐机理

　　反渗透的脱盐机理目前尚有不同看法，现简述两种较为流行的机理。

　　a. 氢键理论。半透膜材料之一，乙酸纤维素是一种具有高度有序矩陈结构的聚合物，它具有水或醇等溶剂形成氢键的能力。盐水中的水分子能与乙酸纤维素上的羰基形成氢键。在反渗透压力推动的作用下，以氢键结合进入乙酸纤维素膜的水分子能够由 个氢键位置断裂而转移到另一个位置形成另一个氢键。这些水分子通过一连串的形成氢键和断裂氢键而不断移位，直至离开膜的表皮层而进入多孔性支撑层后，立即流出淡水。

　　b. 选择吸附-毛细管流动机理。当盐水溶液与多孔的反渗透膜表面接触时，如果膜具有选择吸附纯水而排斥溶质的化学特性，则在膜和溶液界面上选择吸附一层水分子，在反渗透压力推动的作用下，通过膜的毛细作用流出纯水，并连续地形成和流出这个界面纯水层。

　　至于对有机物的脱除，则纯属筛分机理。因此，这与有机物的相对分子质量大小和形状有关。由于有机物的分子不能被膜的表面所排礴，又由于有机物倾向于降低溶液和膜之间的界面张力，一些小分子有机物（相对分子质量小于100）最容易聚集在膜的表面上，因而很容易通过膜的孔隙。根据分子的形状和相对分子质量在100～200之间的有机物，能脱除一部分，相对分子质量在200以上的有机物，基本上能全部脱除。

　　（2）反渗透膜

　　反渗透膜是进行反渗透分离过程的主要关键之一。一般来说，对反渗透膜要求具备下列多种性能：①单位膜面积的透水量大、脱盐率高；②机械强度好，多孔支撑层的压实作用小；③化学稳定性好，耐酸、耐碱和耐微生物的侵袭；④结构均匀，使用寿命长；⑤制膜容易，原料充足。

　　但是，要制备具有上述各项多性能的膜是比较困难的。目前最广泛使用的膜是乙酸纤维素膜，简称CA膜，该膜透水量大、脱盐率高、价格便宜，比较成熟。这种乙酸纤维素半透膜物表皮层的厚度约0.25μm，膜总厚度约100μm。极薄表皮层中布满微孔，孔径约几个纳米，而多孔支撑层中的孔径很大，约有几百纳米。在反渗透操作过程中，盐水必须面向表皮层，该层由多孔的支撑层予以支撑。这种非对称性的乙酸纤维素膜具有透水量大，脱盐率高的优点。

　　其次为芳香聚酰胺膜，它具有良好的透水性能，较高的脱盐率，优越的机械强度，化学性质稳定，耐压实等特点，能在pH值为4～10范围内使用（长期使用范围为pH5～9）。乙酸纤维素膜主要制成平板式、管式、螺旋卷式和槽条式。而芳香聚酰胺膜则主要制成中空纤维式，它的膜面积特别大，由它制成的反渗透器具有何种小、产水量大的优点，因而发展很快。

　　除上述两种膜以外，还有耐热的聚苯并咪唑膜，透水量大的动力形成膜，无机的多孔玻璃膜和氧化石墨膜，耐碱的磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜等。

　　3）使用反渗透膜时应注意几个问题

　　 ①pH值使用范围  

　　不同材料制成的膜对pH值使用范围也不同。CA膜的长期使用范围为pH=3～7，防止某些溶解固体在膜表面结垢而堵塞膜孔，并防止膜的水解。芳香聚酰胺膜一般适用pH=4～10，但长期适用范围pH=5～9。

　　②操作压力

　　在反渗透过程中，透水量随操作压力的提高而增加。但提高压力又会使膜受到压实的影响从而导致透水量的下降，这对CA膜最为显著。因此，应根据各种膜的性能来考虑反渗透操作压力。操作压力的选择还依赖于原水的浓度、膜的透水性能和水的回收率。

　　③温度

　　膜的透水量随原水温度的提高而增加。有些膜当水温提高1℃时，透水量能增加约2.7%。但温度过高，会加快膜的水解速度。一般有机膜由于温度升高而变软，而使膜的压实增加。原水温度一般控制在20～30℃。

　　④浓差有化

　　在反渗透过程中，由于水不断地透过膜，使膜表面的溶液浓度越来越大，由于这一浓差极化现象引起膜表面溶液的渗透压大大增加，因而导致水透过膜的阻力增加，使膜的透水量和脱盐率下降。为了避免这种现象，必须提高原水柱入的流速，使原水流动保持紊流状态，防止膜表面浓度增加。

　　⑤膜的清洗

　　使用长期的反渗透膜，其表面易被一层沉淀物覆盖而结垢，堵塞膜孔，透水量下降。因此必须定期清洗膜面。通常采用稀盐酸（pH值为2～3，主要对CA膜）冲洗，或用各种络合剂如柠檬酸、过硼酸钠、亚硫酸氢钠、六偏磷酸钠等防止铁、锰、碳酸盐结垢。在具体操作中，必须根据膜的材料和结垢的性质选择去垢剂。当然，如在进行反渗透过程之前对原水进行必要的预处理，如采用砂过滤器、加药凝聚、调节酸度、经过各种孔径的细砂过滤器、加药凝聚、调节酸度、经过各种孔径的细过滤和精密过滤等方法，以减少膜表面结垢的防止膜的水解。

　　（4）反渗透器   

　　最简单实用的反渗透组件装置就是将一个高压水泵与一个反渗透组件直接串联起来，在压力作用下，纯水通过反渗透膜，面浓缩的废液通过一只流量控制阀连续排出。为了取得满意的纯水流量，施加压力超过废液的渗透压。在实践中采用压力在25～80Pa之间。

　　（5）反渗透法在纯水处理方面的应用  

　　  反渗透法可用于海水淡化、硬水软化、工业废水处理以高纯水制备等方面。反渗透比蒸馏法、电渗析等方法耗能少、体积小、设备简单、单位何种产水量高，还具有不需加热、相态不变和适于大小规模生产等优点，一般采用反渗透和离子交换相结合的联合装置以制取高纯水。

　　由于反渗透应用广泛，优点多，而且近年来随着反渗透质量的不断提高，反渗透设备的不断改进，应用范围继续扩大，反渗透纯化水已经发展成为一种符合实际、效率高又经济的主处理系统。

　　选择反渗透装置的工艺条件，以降低反渗透系统的动力消耗，达到最大的经济效益，应先测出各项有关参数，根据具体情况应注意以下各个环节。

　　①   测定原水中的含盐量、酸碱度、温度、悬浮物、细菌以及其他颗粒等。

　　②   选用合适的原水预处理方法，如凝聚、粗滤、细滤、调节pH值等。

　　③   选择膜材和了解膜的性能，如透水量、脱盐率、pH使用范围、机械强度和耐热等。

　　④   根据产水量要求计算出所需的膜面积。

　　⑤   考虑反渗透器类型的特性、反渗透装置的工艺流程、水质的要求、操作压力、淡水回收率等。⑥   考虑钙盐等难溶盐沉积膜面、堵塞膜孔以及浓差极化等问题。

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