反渗透原理及反渗透膜的特点

渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。渗透和反渗透的原理如图10-27所示。如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透[图10-27(a)]。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压[图10-27(b)]。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。

如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透[图10-27(c)]。反渗透技术所分离的物质的相对分子质量一般小于500，操作压力为2～100MPa。

图10-27 渗透与反渗透原理示意

用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶质分子。膜材料的物理化学性能决定了由其制备的反渗透膜的大部分性能。几十年来，醋酸纤维素在膜材料中占有十分重要的地位，主要原因是它资源无穷无尽，且无毒，耐氯，价格便宜，制膜工艺简单，便于工业化。此外制得的膜用途广。水渗透率高，截留率也好。尽管有众多优点，但醋酸纤维膜抗氧化能力差，易水解，易压密，抗微生物性能较弱等，限制了它的应用范围。人们曾开发出了多种膜材料，以适用于不同的目的。制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等，表10-8是几种主要的膜材料及其结构式。

表10-8 用于反渗透膜的主要高分子材料

目前，实现工业应用的反渗透膜分为三类：高压海水脱盐用反渗透膜;低压苦咸水脱盐用反渗透膜;超低压反渗透(LPRO)膜。用于海水脱盐的反渗透膜主要有五种：三醋酸纤维素的细中空纤维膜、直链全芳族聚酰胺细中空纤维膜、交联全芳族聚酰胺型薄层复合膜、芳香烷基聚醚脲型薄层复合膜及交链的聚醚薄层复合膜。反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有氢键理论、选择吸附-毛细管流动理论、溶解扩散理论等。