楊文秀，崔淑玲

(河北科技大學，河北 石家莊 050018 )

1 前言

反滲透膜一般用高分子材料制成，如醋酸纖維素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。膜表面微孔的直徑一般在0.5～10 nm之間。以膜兩側靜壓差為推動力而實現(xiàn)對液體混合物分離的選擇性分離膜，其操作壓力一般為1.5～10.5 MPa，反滲透膜只能通過溶劑(通常是水)而截留離子或小分子物質。透過性的大小與膜本身的化學結構有關。當前使用的膜材料主要為醋酸纖維素和芳香聚酰胺類。其組件有中空纖維式、卷式、板框式和管式?？捎糜诜蛛x、濃縮、純化等化工單元操作。

2 反滲透膜

2.1 反滲透膜類型

根據反滲透膜具備的性能及其影響因素，目前較常用的膜類型有：

(1) 醋酸纖維膜(CA膜)

CA膜又可以分為平膜、管式膜和中空纖維膜幾類。CA膜具有反滲透膜所需的三個基本性質：高透水性、對大多數水溶性組分的滲透性相當低、具有良好的成膜性能。

(2)聚酰胺膜( PA膜)

聚酰胺膜又可以分為脂肪族聚酰胺膜、芳香聚酰胺膜(成膜材料為芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物)。

(3)復合膜

這是近年來開發(fā)的一種新型反滲透膜，它是由很薄且致密的符合層與高空隙率的基膜復合而成的，它的膜通量在相同的條件下比非對稱膜高約50%～100%[1]。

2.2 反滲透膜原理

反滲透是滲透的逆過程，它主要是在壓力的推動下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶劑與溶質分開的膜分離過程[2]。目前，對反滲透機理有以下三種理論。

(1)氫鍵理論:該理論基于一些離子和分子能通過膜的氨鍵的結合而發(fā)生聯(lián)系，從而通過這些聯(lián)系發(fā)生線形排列型的擴散來進行傳遞。在壓力的作用下，溶液中的水分子和醋酸纖維素的活化點——羰基上氧原子形成氫鍵，而原來的水分子形成的氧鍵被斷開，水分子解離出來并隨之轉移到下一個活化點，并形成新的氨鍵。通過這一連串氫鍵的形成與斷開，使水分子離開膜表面的致密活化層，由于多孔層含有大量毛細管，所以水分子能暢通流出膜外。

(2)優(yōu)先吸附毛細孔流理論：索里拉金等人提出了優(yōu)先吸附毛細孔流理論。他們以氯化鈉水溶液為例，溶質是氯化鈉，溶劑是水，膜表面能選擇性吸水，因此水被優(yōu)先吸附在膜表面上，而對氯化鈉排斥。在壓力作用下，優(yōu)先吸附的水通過膜，就形成了脫鹽的過程[3]。

(3)溶液擴散理論: Lonsdale 和賴利 Riley等人提出溶解擴散理論。該理論假定膜是無缺陷的完整的膜，溶劑和溶質透過膜的機理是由于溶劑與溶質在膜中的溶解，然后在化學位差的推動力下從膜的一側向另一側進行擴散，直至透過膜。溶劑和溶質在膜中的擴散服從Fick定律，這種模型認為溶劑和溶質都可能溶于均質或非多孔型膜表面，以化學位差為推動力(常用濃度差或壓力差來表示)，分子擴散使它們從膜中傳遞到膜下部。因此，物質的滲透能力不僅取決于擴散系數，而且取決于其在膜中的溶解度。溶質的擴散系數比水分子的擴散系數小得越多，高壓下水在膜內的移動速度就越快，因而透過膜的水分子數量就比通過擴散而透過去的溶質數量更多[4]。

2.3 反滲透技術特點

反滲透膜分離技術是利用反滲透膜原理進行分離，具體特點如下：

(1) 在常溫不發(fā)生相變的條件下，可以對溶質和水進行分離，適用于對熱敏感物質的分離、濃縮，并且與有相變化的分離方法相比，能耗較低。

(2)反滲透膜分離技術雜質去除范圍廣。

(3)較高的脫鹽率和水回用率，可截留粒徑幾個納米以上的溶質。

(4)利用低壓作為膜分離動力，因此分離裝置簡單，操作、維護和自控簡便，現(xiàn)場安全衛(wèi)生[5]。

3 應 用

3.1 純水和超純水的制備

純水和超純水是現(xiàn)代工業(yè)中一種十分重要的原材料，已被廣泛應用于半導體微電子、電力、化工和醫(yī)藥等領域。目前，利用反滲透膜技術生產超純水的工藝已經很成熟，反滲透膜能夠有效地降低水的電導率和其中總溶解性固體的含量，對大部分鹽類成分的截留率超過95%，并且水通量大[6]。雖然也出現(xiàn)了膜污染問題，但是通過化學清洗的方法可以有效地解決。在純水和超純水的制備中，主要應用醋酸纖維膜。

3.2 食品工業(yè)

反滲透膜在食品工業(yè)中主要應用于牛奶加工、果汁加工及酒的加工等。反滲透還可應用于釀酒過程，制備低酒精度產品。與限制發(fā)酵、蒸餾脫醇等方法相比，反滲透法能克服發(fā)酵產品中殘?zhí)歉?、蒸餾法有蒸煮味等風味缺陷，得到高品質的無醇啤酒，且投資和運行等費用也不高。馮凌蕾等運用反滲透法對普通啤酒進行脫醇后，酒精度達到0.5%(體積分數)以下，除含酒精量較低外，仍具有普通啤酒的色、香、味，滿足無醇啤酒的標準[7]。

3.3 醫(yī)藥行業(yè)中的應用

高分子分離膜在醫(yī)療衛(wèi)生上的應用非常廣泛。從醫(yī)藥用純水的制備和蛋白質酶、疫苗的分離、精制及濃縮到人工肝、人工肺、人工腎等人工臟器都是以高分子膜作為分離過程的核心組件。聚丙烯腈是少數已臨床使用的合成高分子膜之一，同再生纖維素膜相比，聚丙烯腈膜對中等分子質量物質的去除能力強，超濾速率是前者的數倍。日本的Asahi醫(yī)學公司首先將聚丙烯腈膜中空纖維化，并用于血液透析和血液透析過濾，并通過了臨床應用[8]。

3.4 化工工藝的濃縮、分離、提純中的應用

膜分離技術作為新的分離凈化和濃縮方法，與傳統(tǒng)分離操作(如蒸發(fā)、萃取、沉淀、混凝和離子交換樹脂等)相比較，過程中大多無相變化，可以在常溫下操作，具有能耗低、效率高、工藝簡單、投資小等特點。因此反滲透膜廣泛應用在化工工藝的濃縮、分離、提純中。杭州沃騰公司通過多年服務于植物提取的經驗，成功設計生產出可以實現(xiàn)微濾澄清和超濾除蛋白、鞣質和脫色效果的膜[9]，并解決了膜污染堵塞難題，膜透過水可以回收利用到前提取工序，減輕環(huán)保壓力。

3.5 鍋爐補給水的除鹽軟化

國內目前應用反滲透裝置進行水處理的電廠已有幾十個,并且隨著反滲透設備投資費用的降低,以及反滲透低壓膜、超低壓膜的使用,反滲透的投資成本和運行成本都有所降低,其應用也就越來越廣。山西大同某熱電聯(lián)產項目裝機容量 2×135 MW的火電抽凝機組,高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐,鍋爐補給水處理系統(tǒng)采用了預處理 ( 機械過濾+ 超濾) + 兩級反滲透+ 電除鹽工藝。系統(tǒng)總出水2×34 m3/ h[10]。反滲透膜采用東麗公司的 TM720-400 型抗污染高脫鹽率低壓復合膜。系統(tǒng)水回收率大于75%,脫鹽率大于97% (3年內)[11]。

3.6 海水和苦咸水淡化

從海水淡化的技術種類來說，目前主要還是蒸餾法和反滲透法兩大主流技術，其中反滲透海水淡化技術具有設備投資省、能量消耗低、建造周期短等諸多優(yōu)點[12]。目前，反滲透海水淡化系統(tǒng)的單位能耗已經降至3 kWh/m3淡水以下?？嘞趟话阒耕}的質量濃度為1 000～15 000 mg/L的天然水、地面水和自流井水，由于含鹽量高，不能直接應用于工農業(yè)生產及人們的生活飲用水，必須進行淡化處理，才能加以利用。

3.7 造紙、電鍍、印染等行業(yè)用水

反滲透膜在造紙、印染、電鍍廢水回用中的應用，一方面可以回收利用原料，大大降低生產成本；另一方面可以實現(xiàn)廢水零排放或者微排放，具有很好的經濟和環(huán)境效益，使印染企業(yè)在減少廢水排放量的同時又節(jié)約了自來水等新鮮水的用量，提高用水水質，可以減少產品的次品率，從而提高企業(yè)的經濟效益。德國一些造紙工廠,采用傳統(tǒng)的好氧生物處理、下流式砂子過濾,再通過表面積為15 000 m2聚磺化醚薄膜處理,可得到90%的凈化水,COD、AOX 和染料去除率分別為89%、61%和93%,處理后的廢水可以再利用[13]。

3.8 廢水處理

廢水資源化具有開發(fā)淡水資源與保護環(huán)境雙重目的。除了脫鹽與純水的制備外，反滲透膜應用最多的就是在廢水處理領域，而且絕大多數是對廢水的深度處理，所以往往還要結合其他的預處理工藝。此外，反滲透也開始應用于水中微量無機污染物(主要包括一些重金屬離子)和有機污染物的去除，以及一些工業(yè)生產廢水的處理，例如制藥廢水、石油化工廢水、煉鋼廢水和印染廢水等領域[14]。

4 反滲透膜目前存在問題

目前，反滲透膜技術在實際應用中或是在應對膜污染問題時所產生的膜氧化仍是制約反滲透膜廣泛應用的重要因素。另外，反滲透膜對一些具有特殊截留機理的離子的脫除效果還不理想(例如硼，一般去除率低于90%)，反滲透膜的截留性能仍有待提高，以提高膜分離效率[15]。

[1] 常向真.印染廢水反滲透膜處理工程設計及效益分析[J].印染技術，2010(2)：31-33.

[2] 路 靜.反滲透膜技術在紡織行業(yè)水處理中的應用[J].科技信息，2008(17)：593-594.

[3] 許 駿，王志，王紀孝,等.反滲透膜技術研究和應用進展[J].化學工業(yè)與工程，2010，7(4)：351-357.

[4] 劉 苗，李 萍.海水淡化反滲透膜技術的技術分析與應用[J].資源環(huán)境與發(fā)展，2011(1)：8-10.

[5] 李鳳娟，王薇，杜啟云.反滲透膜的應用進展[J].天津工業(yè)大學學報，2009,4(2):25-29.

[6] 林斯青.國外海水反滲透淡化技術現(xiàn)狀及未來[J].中國環(huán)境管理干部學院學報，2003,3(21)：11-13.

[7] WANG F，TARABARA V V.Coupled effects of colloidal deposition and salt concentration polarization on reverse osmosis membrane performance[J].Journal of Membrane Science，2007，21(29): 111-123.

[8] 中國脫鹽協(xié)會，歐洲脫鹽協(xié)會，天津大學化工學院.海水淡化工程技術研討班教材[M].天津，天津大學出版社，2009.

[9] 王 方.反滲透-電去離子脫鹽系統(tǒng)[J].工業(yè)水處理，2002，22(10): 12-15.

[10] 李國新，顏昌宙，李慶召.污水回用技術進展及發(fā)展趨勢[J].環(huán)境科學與技術出版社，2009，32(1): 79-83.

[11] 馬健維，李楊，賈桂敏，等.反滲透回流工藝參數的確定[J].石化技術與應用，2006，24(5): 375-377.

[12] 田茂東，許士勇.影響反滲透運行的因素及運行參數的標準化[J].山東電力技術，2004(6)：33-43.

[13] 沈 錫.紡織品功能整理應用實踐[J].印染助劑，2008,2 (13)：34-38.

[14] 徐明德,朱秋麗.膜分離技術在電廠鍋爐補給水中的應用[J] .山西電力，2010,8(161)：41-42.

[15] 李 健，陳雙星.節(jié)水與反滲透膜的應用[J].天津建設科技，2000,8(4)：24-26.