反渗透基本原理2008-2-29 来源：什么叫渗透、渗透压和反渗透当纯水和盐水被理想半透膜隔开，理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过，此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧，这种现象称为渗透，若在膜的盐水侧施加压力，那么水的自发流动将会受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过膜的净流量等于零，这个压力称为渗透压力，当施加在膜盐是侧的压力大于渗透压力时，水的流向就会逆转，此时，盐水中的水将流入纯水侧，上述现象就是水的反渗透（RO）处理的基本原理，如下图所示。

渗透压可用下式计算π=cRT式中π—渗透压,kPa;C—浓度差,mol/L;R—气体常数,等于8.135J/(mol.K)T—热力学温度,K。

上式是通过热力学定律推导出来的,因此只对极稀薄溶液才是准确的,c为水中离子的浓度,若为非电介质则为分子的浓度.各种盐溶液在含量为1000mg/L,温度25℃时的渗透压如下:氯化钠约为77.5kPa;硫酸钠约为41.2kPa;硫酸镁约为24.5kPa;氯化钙约为56.9kPa;氯化镁约为65.7kPa什么是反渗透膜反渗透膜是一种用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜。

它能在外加压力作用下使水溶液某一些组分选择性透过,从而达到淡化、净化或浓缩分离的目的。

反渗透现象早在1748年就被法国Able Knelt所发现。

利用与渗透相反的过程进行海水淡化的设想是美国Haussler在1950年提出来的，但是只有当1960年Loeb HE Sourirajan2用醋酸纤维素做材料、研制成功第一张高分离效率高透水量的反渗透膜以后，反渗透膜分离才可能变成为现实。

膜被称为反渗透过程的心脏，在一定意义上说，反渗透系统质量的优劣、水平的高低关键在于反渗透膜性能的好坏，第一张醋酸纤维素反渗透膜是用于水脱盐的，但是，随着各种类型反渗透膜的开发和膜性能的不断提高，发渗透膜分离已不仅包括水处理领域，即水的脱盐、纯水制备、水的再利用和废水回收，也包括食品加工、生物学和生物医药的研究。

反渗透膜性能要求和指标为适应水处理应用的需要，反渗透膜必须具有应用上的可靠性和形成规模的经济性，其一般要求如下（1）对水的渗透性要大，脱盐率要高。

（2）具有一定的强度和坚实程度，不致因水的压力和拉力影响变形、破裂。

膜的被压实性尽可能最小，水通量衰减小，保证稳定的产水量。

（3）结构要匀称，能制成所需要的结构。

（4）能适应较大的压力、温度和水质的变化。

（5）具有好的耐温、耐酸碱、耐氧化、耐水解和耐生物污染侵蚀性能。

（6）使用寿命要长。

（7）成本要低。

在选择膜时或使用膜前应该了解哪些内容膜的使用者在选择膜时或使用膜前应该了解并掌握如下膜的物理、化学稳定性和膜的分离特性指标。

（1）膜的化学稳定性膜的化学稳定性主要是指膜的抗氧化性和抗水解性能，这既取决于膜本身的化学结构，又与要分离流体的性质有关。

通常水溶液中含有如次氯酸钠、溶解氧、双氧水和六价铬等氧化性物质，它们容易产生活性自由基并与高分子膜材料进行链引起反应和链转移反应，造成膜的氧化，影响膜的性能和寿命。

另外，膜的水解与氧化是同时发生的，当制膜用高分子主链中含有水解的化学基团—CONH —，—COOR—，—CN2—O—等时，这些基团在酸或碱的作用下，易产生水解反应，使膜的性能受到破坏。

（2）膜的耐热性和机械强度膜的耐热性能提高，有利于在医药、食品等需要在高温下操作的分离过程中使用。

另外，膜的耐热性能提高，意味着可分离温度较高的溶液。

溶液温度的提高，其水的透过速率增加，在膜高压侧的传质数与盐的渗透系数也会略有增加。

因此，在膜主见的制造中，应尽量选择耐热性能较好的膜材料；在使用中，还要考虑待处理溶液的性质、使用时间和对膜性能的要求等。

膜的机械强度是高分子才来哦力学性质的体现。

在压力作用下，膜的压缩和剪切蠕变，以及表现出的压密现象，其结果导致膜的透过速度下降。

并且当压力消失后，再给膜施加相同的压力，其透过速度也只能暂时有所回升，很快又出现下降，这表明由于膜的蠕变使其产生几何可逆的变形。

造成膜的蠕变因素有高分子材料的结构、压力、温度、作用时间和环境介质等。

反渗透的机理是什么目前为人们普遍接受的理论是：起作用的半透膜可以看作是对扩散的非孔屏障，水和溶质溶解在膜内，靠浓度梯度和压力梯度扩散过去。

根据上述理论乐意推导出以下公式Qw=Kw(ΔP-Δπ）A/T式中Qw—产水量；Kw—系数；ΔP—膜两侧的压差；Δπ—渗透压；A—膜的面积；T—膜的厚度。

Kw与膜的性质、盐的种类以及水温有关Qs= KsΔcA/T式中Qs—盐透过量；Ks—系数；Δc—膜两侧盐的浓度差。

Ks与膜的性质、盐的种类以及水温有关。

从以上两式可以看出，对膜来说Kw大、Ks小则质量较好，同时产水量与净驱动压力成正比，盐透过量只与膜两侧浓度差成正比，而与压力无关。

反渗透膜的材质是什么常见的反渗透膜材料有两大类。

（1）醋酸纤维素膜元件一般用纤维素经酯化生成三醋酸纤维，再经二次水解成混合一、二、三醋酸纤维。

影响膜的脱盐率与产水量最重要的因素是乙酰含量高则脱盐率高，但产水量少。

醋酸纤维素膜本质上的弱点是，随时间的推移，酯基官能团将水解，同时脱盐率逐渐下降而流量增加，随着水解作用的加强，膜更易受到微生物侵袭，同时膜本身也将失去它的功能和完整性。

（2）复合膜元件复合膜的主要支持结构是经砑光机砑光后的聚酯无纺织物，其表面无松散纤维并且坚硬光滑，由于聚酯无纺织物非常不规则并且太疏松，不适合作为盐屏障层的底层，因而将微孔工程塑料聚砜浇注在非纺织物表面上，聚砜层表面的孔控制在大约15nm，屏障层采用高交联度的芳香聚酰胺，厚度大约在0.2um。

高交联度芳香聚酰胺由苯三酰氯和苯二胺聚合而成。

复合膜与醋酸纤维素膜相比有以下优点。

①化学稳定性好。

醋酸纤维素膜不可避免地会发生水解，醋酸纤维素膜连续运行允许的pH值范围为4～6，清洗时允许是pH值范围为3～7，pH值为5.7时水解速度最慢，这就导致预处理时加酸来量大，清洗时可选用的药品范围窄，不易获得满意的清洗效果，复合膜连续运行允许的pH值范围一般为2～11，清洗时允许的pH值范围一般为1～12。

②生物稳定性好。

复合膜不易受微生物侵袭，而醋酸纤维素膜易受微生物侵袭。

③复合膜的传输性能好，即Kw大而Ks小。

④复合膜在运行中不会被压紧，因此产水量不随使用时间而改变，而醋酸纤维素膜在运行中会被压紧，因而产水量不断下降。

⑤复合膜的脱盐率基本不随使用时间而改变，而醋酸纤维素膜由于不可避免的水解，脱盐率会不断下降。

⑥复合膜由于Kw大，其工作压力低，反渗透给水泵用电量与醋酸纤维素膜相比减少了一半以上。

⑦醋酸纤维素膜的寿命一般仅3年，而复合膜有些已使用5年或者8年，性能仍完好如初。

复合膜的缺点是抗氧化性较差。

膜的理化指标有哪些膜的理化指标一般包括以下几个方面。

（1）膜的材质（2）允许使用的最高压力。

（3）允许的最大给水量。

（4）适用的pH值范围。

（5）耐O3和Cl2等氧化性物质的能力。

（6）抗微生物、细菌的侵蚀能力。

（7）耐胶体颗粒、有机物及细菌等微生物污染的能力。

膜的分离透过特性指标有哪些膜的分离透过特性指标主要包括脱盐率﹙或盐透过率﹚、回收率（或产水率）、水通量及水通量衰减系数（或膜通量保留系数）等。

⑴脱盐率（salt rejection）。

为给水中总溶解固形物（TDS）中的未透过膜部分的百分数。

脱盐率=（1-产品水总溶解固形物/给水中总溶解固形物）＊100﹪⑵系统回收率系统回收率=总的产水流量÷总的给水流量×100﹪⑶水通量。

是指单位面积的膜在单位时间内的产水量。

⑷水通量衰减系数。

是指水通量随时间的衰减速度。

膜的运行条件的影响因素有哪些膜的水通量和脱盐率是反渗透过程的关键的运行系数。

这两个参数将受到压力、温度、回收率、给水含盐量、给水pH值等因素的影响。

⑴压力给水压力升高使膜的水通量增加，压力升高并不影响盐透过量，在盐透过量不变的情况下水通量增大时产品水含盐量下降，脱盐率提高了，见图1及图2。

图1 给水压力对反渗透膜脱盐率的影响测定条件测试膜元件：ESPA2－4040给水浓度：NaCl 500mg/L给水温度：25℃图2不同进水浓度下反渗透膜产水量与操作压力的关系测试条件：回收率15﹪，操作温度25℃gpd:加仑/天，psi:磅/平方英寸⑵温度在提高给水温度而其他运行参数不变时，温度每增加1℃，产品水通量和盐透过量均增加。

温度升高后水的黏度降低（见图3），一般产水量可增大2﹪～3﹪；但同时温度引起膜的盐透过系数Ks也变大+，因而盐透过量有更大的增加，见图4及图5。

图3 水的黏度和温度的关系图4 给水温度对反渗透膜产水电导率的影响测定条件测试膜元件：ESPA2－4040给水浓度：NaCl 500mg/L给水pH值：7回收率：15．0﹪产水流量：8m3/d图5 给水温度对反渗透膜透水量的影响测定条件测试膜元件：ESPA2－4040操作压力：7．5kgf/c㎡给水浓度：NaCl 500mg/L浓缩液pH值：7给水流量：20L/minESPA1膜产水哩哪个的温度系数见下表。

⑶回收率增大产品水回收率，产品水通量下降，是因为浓水盐浓度增大，盐浓度高，则渗透压增大，在给水压力不变的情况下，ΔP-Δπ变小，因而Qw降低，同时由于浓水盐浓度高，使Δc增大，故盐透过量Qs增大，再加上产品水通量下降对产水量的影响，产品水含盐量必然会升高。

⑷给水含盐量给水含盐量增加影响透过量和产品水通量，使产品水通量和脱盐量均下降。

这可用脱盐方程中Δc增大，使Qs增大说明盐透过量升高；又由于给水浓度c增大，π=cRT，使渗透压增大，在给水压力不变的情况下ΔP-Δπ变小，因而Qw降低（见图6）。

图6 给水盐浓度对反渗透膜脱盐率及透过水量的影响测定条件测试膜元件：ESPA2－4040操作压力：7．5kgf/c㎡给水pH值：7浓水流量：20L/min进水温度：25℃⑸给水pH值脱盐率和水通量在一定的pH值范围内较为恒定，其最大脱盐率为pH=8．5，聚酰胺类膜聚合物分子链中存在着酰胺基在水中形成的羧基、胺基等带电部分，因此改变给水的pH值和离子结构、浓度时，膜的带电状态都将发生变化，以致膜的分离特性也会发生一些变动，见图7。

图7 给水pH值对反渗透膜脱盐率的影响测定条件测试膜元件：ESPA2－4040操作压力：7．5kgf/c㎡给水浓度：NaCl 500mg/L给水流量：20L/min给水温度：25℃浓度极化有什么危害反渗透膜分离过程中，水分子透过以后，膜界面中含盐量增大，形成较高的浓水层，此层与给水水流的浓度形成很大的浓度梯度，这种现象称为膜的浓差极化（concentration polarization）。