反渗透膜及其应用

杨文秀，崔淑玲

(河北科技大学，河北 石家庄 050018 )

1 前言

反渗透膜一般用高分子材料制成，如醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。膜表面微孔的直径一般在0.5～10 nm之间。以膜两侧静压差为推动力而实现对液体混合物分离的选择性分离膜，其操作压力一般为1.5～10.5 MPa，反渗透膜只能通过溶剂(通常是水)而截留离子或小分子物质。透过性的大小与膜本身的化学结构有关。当前使用的膜材料主要为醋酸纤维素和芳香聚酰胺类。其组件有中空纤维式、卷式、板框式和管式。可用于分离、浓缩、纯化等化工单元操作。

2 反渗透膜

2.1 反渗透膜类型

根据反渗透膜具备的性能及其影响因素，目前较常用的膜类型有：

(1) 醋酸纤维膜(CA膜)

CA膜又可以分为平膜、管式膜和中空纤维膜几类。CA膜具有反渗透膜所需的三个基本性质：高透水性、对大多数水溶性组分的渗透性相当低、具有良好的成膜性能。

(2)聚酰胺膜( PA膜)

聚酰胺膜又可以分为脂肪族聚酰胺膜、芳香聚酰胺膜(成膜材料为芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物)。

(3)复合膜

这是近年来开发的一种新型反渗透膜，它是由很薄且致密的符合层与高空隙率的基膜复合而成的，它的膜通量在相同的条件下比非对称膜高约50%～100%[1]。

2.2 反渗透膜原理

反渗透是渗透的逆过程，它主要是在压力的推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶剂与溶质分开的膜分离过程[2]。目前，对反渗透机理有以下三种理论。

(1)氢键理论:该理论基于一些离子和分子能通过膜的氨键的结合而发生联系，从而通过这些联系发生线形排列型的扩散来进行传递。在压力的作用下，溶液中的水分子和醋酸纤维素的活化点——羰基上氧原子形成氢键，而原来的水分子形成的氧键被断开，水分子解离出来并随之转移到下一个活化点，并形成新的氨键。通过这一连串氢键的形成与断开，使水分子离开膜表面的致密活化层，由于多孔层含有大量毛细管，所以水分子能畅通流出膜外。

(2)优先吸附毛细孔流理论：索里拉金等人提出了优先吸附毛细孔流理论。他们以氯化钠水溶液为例，溶质是氯化钠，溶剂是水，膜表面能选择性吸水，因此水被优先吸附在膜表面上，而对氯化钠排斥。在压力作用下，优先吸附的水通过膜，就形成了脱盐的过程[3]。

(3)溶液扩散理论: Lonsdale 和赖利 Riley等人提出溶解扩散理论。该理论假定膜是无缺陷的完整的膜，溶剂和溶质透过膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差的推动力下从膜的一侧向另一侧进行扩散，直至透过膜。溶剂和溶质在膜中的扩散服从Fick定律，这种模型认为溶剂和溶质都可能溶于均质或非多孔型膜表面，以化学位差为推动力(常用浓度差或压力差来表示)，分子扩散使它们从膜中传递到膜下部。因此，物质的渗透能力不仅取决于扩散系数，而且取决于其在膜中的溶解度。溶质的扩散系数比水分子的扩散系数小得越多，高压下水在膜内的移动速度就越快，因而透过膜的水分子数量就比通过扩散而透过去的溶质数量更多[4]。

2.3 反渗透技术特点

反渗透膜分离技术是利用反渗透膜原理进行分离，具体特点如下：

(1) 在常温不发生相变的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离、浓缩，并且与有相变化的分离方法相比，能耗较低。

(2)反渗透膜分离技术杂质去除范围广。

(3)较高的脱盐率和水回用率，可截留粒径几个纳米以上的溶质。

(4)利用低压作为膜分离动力，因此分离装置简单，操作、维护和自控简便，现场安全卫生[5]。

3 应 用

3.1 纯水和超纯水的制备

纯水和超纯水是现代工业中一种十分重要的原材料，已被广泛应用于半导体微电子、电力、化工和医药等领域。目前，利用反渗透膜技术生产超纯水的工艺已经很成熟，反渗透膜能够有效地降低水的电导率和其中总溶解性固体的含量，对大部分盐类成分的截留率超过95%，并且水通量大[6]。虽然也出现了膜污染问题，但是通过化学清洗的方法可以有效地解决。在纯水和超纯水的制备中，主要应用醋酸纤维膜。

3.2 食品工业

反渗透膜在食品工业中主要应用于牛奶加工、果汁加工及酒的加工等。反渗透还可应用于酿酒过程，制备低酒精度产品。与限制发酵、蒸馏脱醇等方法相比，反渗透法能克服发酵产品中残糖高、蒸馏法有蒸煮味等风味缺陷，得到高品质的无醇啤酒，且投资和运行等费用也不高。冯凌蕾等运用反渗透法对普通啤酒进行脱醇后，酒精度达到0.5%(体积分数)以下，除含酒精量较低外，仍具有普通啤酒的色、香、味，满足无醇啤酒的标准[7]。

3.3 医药行业中的应用

高分子分离膜在医疗卫生上的应用非常广泛。从医药用纯水的制备和蛋白质酶、疫苗的分离、精制及浓缩到人工肝、人工肺、人工肾等人工脏器都是以高分子膜作为分离过程的核心组件。聚丙烯腈是少数已临床使用的合成高分子膜之一，同再生纤维素膜相比，聚丙烯腈膜对中等分子质量物质的去除能力强，超滤速率是前者的数倍。日本的Asahi医学公司首先将聚丙烯腈膜中空纤维化，并用于血液透析和血液透析过滤，并通过了临床应用[8]。

3.4 化工工艺的浓缩、分离、提纯中的应用

膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与传统分离操作(如蒸发、萃取、沉淀、混凝和离子交换树脂等)相比较，过程中大多无相变化，可以在常温下操作，具有能耗低、效率高、工艺简单、投资小等特点。因此反渗透膜广泛应用在化工工艺的浓缩、分离、提纯中。杭州沃腾公司通过多年服务于植物提取的经验，成功设计生产出可以实现微滤澄清和超滤除蛋白、鞣质和脱色效果的膜[9]，并解决了膜污染堵塞难题，膜透过水可以回收利用到前提取工序，减轻环保压力。

3.5 锅炉补给水的除盐软化

国内目前应用反渗透装置进行水处理的电厂已有几十个,并且随着反渗透设备投资费用的降低,以及反渗透低压膜、超低压膜的使用,反渗透的投资成本和运行成本都有所降低,其应用也就越来越广。山西大同某热电联产项目装机容量 2×135 MW的火电抽凝机组,高温高压循环流化床锅炉,锅炉补给水处理系统采用了预处理 ( 机械过滤+ 超滤) + 两级反渗透+ 电除盐工艺。系统总出水2×34 m3/ h[10]。反渗透膜采用东丽公司的 TM720-400 型抗污染高脱盐率低压复合膜。系统水回收率大于75%,脱盐率大于97% (3年内)[11]。

3.6 海水和苦咸水淡化

从海水淡化的技术种类来说，目前主要还是蒸馏法和反渗透法两大主流技术，其中反渗透海水淡化技术具有设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点[12]。目前，反渗透海水淡化系统的单位能耗已经降至3 kWh/m3淡水以下。苦咸水一般指盐的质量浓度为1 000～15 000 mg/L的天然水、地面水和自流井水，由于含盐量高，不能直接应用于工农业生产及人们的生活饮用水，必须进行淡化处理，才能加以利用。

3.7 造纸、电镀、印染等行业用水

反渗透膜在造纸、印染、电镀废水回用中的应用，一方面可以回收利用原料，大大降低生产成本；另一方面可以实现废水零排放或者微排放，具有很好的经济和环境效益，使印染企业在减少废水排放量的同时又节约了自来水等新鲜水的用量，提高用水水质，可以减少产品的次品率，从而提高企业的经济效益。德国一些造纸工厂,采用传统的好氧生物处理、下流式砂子过滤,再通过表面积为15 000 m2聚磺化醚薄膜处理,可得到90%的净化水,COD、AOX 和染料去除率分别为89%、61%和93%,处理后的废水可以再利用[13]。

3.8 废水处理

废水资源化具有开发淡水资源与保护环境双重目的。除了脱盐与纯水的制备外，反渗透膜应用最多的就是在废水处理领域，而且绝大多数是对废水的深度处理，所以往往还要结合其他的预处理工艺。此外，反渗透也开始应用于水中微量无机污染物(主要包括一些重金属离子)和有机污染物的去除，以及一些工业生产废水的处理，例如制药废水、石油化工废水、炼钢废水和印染废水等领域[14]。

4 反渗透膜目前存在问题

目前，反渗透膜技术在实际应用中或是在应对膜污染问题时所产生的膜氧化仍是制约反渗透膜广泛应用的重要因素。另外，反渗透膜对一些具有特殊截留机理的离子的脱除效果还不理想(例如硼，一般去除率低于90%)，反渗透膜的截留性能仍有待提高，以提高膜分离效率[15]。

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