第三節(jié)　能源水質(zhì)凈化創(chuàng)新技術(shù)

一、反滲透（RO）的原理

1．反滲透現(xiàn)象

把相同體積的稀溶液（如淡水）和濃溶液（如海水或鹽水）分別置于一容器的兩側(cè)，中間用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然地穿過(guò)半透膜，向濃溶液側(cè)流動(dòng)，濃溶液側(cè)的液面會(huì)比稀溶液的液面高出一定高度，形成一個(gè)壓力差，達(dá)到滲透平衡狀態(tài)，此種壓力差即為滲透壓，滲透壓的大小取決于濃溶液的種類、濃度和溫度，與半透膜的性質(zhì)無(wú)關(guān)。若在濃溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí)，濃溶液中的溶劑會(huì)向稀溶液流動(dòng)，此種溶劑的流動(dòng)方向與原來(lái)滲透的方向相反，這一過(guò)程稱為反滲透。

如圖2-3所示，滲透是在自然狀態(tài)下，溶劑分子從溶液濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)流動(dòng)透過(guò)半透膜，低濃度側(cè)的液位降低而高濃度側(cè)的液位升高的現(xiàn)象。當(dāng)滲透達(dá)到平衡狀態(tài)，即半透膜兩側(cè)的液位不再變化時(shí)，膜兩側(cè)的水位差即靜壓差就是該溶液的滲透壓。反滲透是滲透的相對(duì)概念，通過(guò)施加一個(gè)大于滲透壓的外加壓力改變?nèi)軇┓肿拥耐高^(guò)方向，使水從高濃度的一側(cè)通過(guò)半透膜向低濃度的一側(cè)流動(dòng)，而膜的選擇透過(guò)性使溶液中的鹽分不會(huì)通過(guò)半透膜，最后達(dá)到去除水中鹽分的目的。

2．溶解-擴(kuò)散模型

Lonsdale等提出解釋反滲透現(xiàn)象的溶解-擴(kuò)散模型。他將反滲透的活性表面層看作致密無(wú)孔的膜，并假設(shè)溶質(zhì)和溶劑都能溶于均質(zhì)的非多孔膜表面層內(nèi)，各自在濃度或壓力造成的化學(xué)勢(shì)推動(dòng)下擴(kuò)散通過(guò)膜。溶解度的差異及溶質(zhì)和溶劑在膜相中擴(kuò)散性的差異影響著他們通過(guò)膜的能量大小。其具體過(guò)程分為：第一步，溶質(zhì)和溶劑在膜的料液側(cè)表面外吸附和溶解；第二步，溶質(zhì)和溶劑之間沒(méi)有相互作用，它們?cè)诟髯曰瘜W(xué)位差的推動(dòng)下以分子擴(kuò)散方式通過(guò)反滲透膜的活性層；第三步，溶質(zhì)和溶劑在膜的透過(guò)液側(cè)表面解吸。

在以上溶質(zhì)和溶劑透過(guò)膜的過(guò)程中，一般假設(shè)第一步、第三步進(jìn)行得很快，此時(shí)透過(guò)速率取決于第二步，即溶質(zhì)和溶劑在化學(xué)位差的推動(dòng)下以分子擴(kuò)散方式通過(guò)膜。由于膜的選擇性，使氣體混合物或液體混合物得以分離。而物質(zhì)的滲透能力，不僅取決于擴(kuò)散系數(shù)，而且取決于其在膜中的溶解度。

3．優(yōu)先吸附——毛細(xì)孔流理論

當(dāng)液體中溶有不同種類物質(zhì)時(shí)，其表面張力將發(fā)生不同的變化。例如水中溶有醇、酸、醛、酯等有機(jī)物質(zhì)，可使其表面張力減小，但溶入某些無(wú)機(jī)鹽類，反而使其表面張力稍有增加，這是因?yàn)槿苜|(zhì)的分散是不均勻的，即溶質(zhì)在溶液表面層中的濃度和溶液內(nèi)部濃度不同，這就是溶液的表面吸附現(xiàn)象。當(dāng)水溶液與高分子多孔膜接觸時(shí)，若膜的化學(xué)性質(zhì)使膜對(duì)溶質(zhì)負(fù)吸附，對(duì)水是優(yōu)先的正吸附，則在膜與溶液界面上將形成一層被膜吸附的一定厚度的純水層。它在外壓作用下，將通過(guò)膜表面的毛細(xì)孔，從而可獲取純水。

4．氫鍵理論

醋酸纖維素（一種半透膜材料）是一種具有高度有序矩陣結(jié)構(gòu)的聚合物，它具有與水或醇等溶劑形成氫鍵的能力，如圖2-4所示。鹽水中的水分子能與醋酸纖維素半透膜上的羰基形成氫鍵。在反滲透壓力推動(dòng)的作用下，以氫鍵結(jié)合進(jìn)入醋酸纖維素膜的水分子能夠由第一個(gè)氫鍵位置斷裂而轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置形成另一個(gè)氫鍵。這些水分子通過(guò)一連串的形成氫鍵和斷裂氫鍵過(guò)程而不斷移位，直至離開膜的表面層而進(jìn)入多孔性支撐層，就可以源源不斷地流出淡水。

二、反滲透的特點(diǎn)及工藝選擇

1．反滲透技術(shù)的發(fā)展

反滲透（Reverse Osmosis，RO）是以壓力為推動(dòng)力，利用反滲透膜只能透過(guò)水而不能透過(guò)溶質(zhì)的選擇透過(guò)性，從某一含有無(wú)機(jī)物、有機(jī)物和微生物的水體中，提取純水的物質(zhì)分離過(guò)程。

滲透現(xiàn)象是法國(guó)人Abble Nollet于250多年前發(fā)現(xiàn)的，自此以后人們開始圍繞這種現(xiàn)象展開廣泛的研究，1867年Traube成功制備了第一張無(wú)機(jī)膜，1937年Carothers最先合成聚酰胺，1950年美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的Reid和Hassler等提出了反滲透海水淡化的概念，1953年醋酸纖維素膜的脫鹽能力被Reid和Bretom證實(shí)之后，Loed和Sourirajan于1960年研制成功世界上第一張高脫鹽率、高通量的不對(duì)稱醋酸纖維素（CA）反滲透膜。

20世紀(jì)70年代初美國(guó)杜邦公司開發(fā)成功了芳香族聚酰胺（PA）中空纖維反滲透膜，80年代初交聯(lián)芳香族聚酰胺復(fù)合膜及其卷式元件研制成功，而操作壓力也由最初的高壓反滲透海水脫鹽膜的高壓變?yōu)榈蛪悍礉B透苦鹽水脫鹽膜的低壓，至20世紀(jì)90年代中期超低壓高脫鹽度聚酰胺復(fù)合膜及其元件投入市場(chǎng)。

2．反滲透的特點(diǎn)

（1）連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)品水水質(zhì)穩(wěn)定，不需要用酸堿再生。

（2）不會(huì)因再生而停機(jī)，無(wú)再生污水。

（3）不需要污水處理設(shè)施，不需要酸堿儲(chǔ)備、酸堿稀釋和運(yùn)送設(shè)施。

（4）減小車間建筑面積，使用安全可靠。

（5）避免工人接觸酸堿，降低運(yùn)行及維修成本。安裝簡(jiǎn)單、安裝費(fèi)用低廉。

3．反滲透工藝的選擇原則

反滲透前的預(yù)處理系統(tǒng)及前處理系統(tǒng)已經(jīng)大幅度降低原水中的懸浮雜質(zhì)和膠體的含量，由于熱電廠巨大的水汽損失，整個(gè)水處理系統(tǒng)的水處理量也隨之增加，為了減少后續(xù)離子交換的負(fù)荷，延長(zhǎng)制水周期，減少離子交換設(shè)備的再生化學(xué)藥劑消耗量，節(jié)約生產(chǎn)成本，設(shè)置合適的反滲透處理工藝成了必要之選。

反滲透具有優(yōu)良的除鹽性能，脫鹽率可達(dá)98%。當(dāng)原水的含鹽量較低時(shí)，一級(jí)反滲透處理即可以滿足出水要求；如果處理水量較大，為了提高系統(tǒng)的回收率，可以采用一級(jí)兩段的反滲透處理工藝，不僅降低預(yù)處理的產(chǎn)水量，也減少反滲透組件的單元進(jìn)水量。

反滲透膜雖然有很高的除鹽能力，但一些氣體分子如CO₂較容易透過(guò)膜，然后進(jìn)入除鹽系統(tǒng)，增加離子交換設(shè)備的負(fù)荷，這不利于除硅，制水周期也會(huì)隨之縮短。

三、反滲透膜的創(chuàng)新技術(shù)及發(fā)展

在反滲透膜發(fā)展的歷史中，不對(duì)稱膜和復(fù)合膜的研發(fā)是創(chuàng)新的兩個(gè)范例。

1．不對(duì)稱膜

Loeb和Sourirajan于1960年制得了世界上第一個(gè)高脫鹽率、高通量、不對(duì)稱醋酸纖維素（CA）反滲透膜，其創(chuàng)新之處在于，以往的膜皆為均相致密膜（0.1～0.2mm厚），傳質(zhì)速率極低，無(wú)實(shí)用價(jià)值，而不對(duì)稱膜僅表面層是致密的（約0.2μm厚），使傳質(zhì)速率提高了近3個(gè)數(shù)量級(jí)，這大大地促進(jìn)了膜科技的發(fā)展；20世紀(jì)70年代研制了優(yōu)異的CA-CTA膜，在10.2MPa操作壓力下，對(duì)35g/L NaCl溶液，脫鹽率99.4%～99.7%，水通量20～30L/（m²·h）。

2．復(fù)合膜

復(fù)合膜的概念是在 1963 年提出的，其創(chuàng)新點(diǎn)在于膜的脫鹽層和支撐層分別由優(yōu)選的材料來(lái)制備，如脫鹽層（約 0.1～0.2μm厚）是芳香族聚酰胺，支撐層是聚砜，這使膜的性能進(jìn)一步提高。歷年來(lái)，開發(fā)了許多不同用途的復(fù)合膜，如用于海水淡化的“高脫鹽型”、純水制備的“超低壓和極低壓型”、廢水處理的“耐污染型”等。最近海水淡化的“高脫鹽型”復(fù)合膜性能大大提高，在5.52MPa操作壓力下，對(duì)35g/L NaCl溶液，脫鹽率99.8%，水通量40L/（m²·h）以上。

目前國(guó)際上最佳商品化的復(fù)合膜，其表面層為芳香聚酰胺，有水通量大、脫鹽率高、耐生物降解、pH范圍廣，且有一定的游離氯允許范圍等優(yōu)點(diǎn)。但在耐氯、耐熱、耐污染、耐化學(xué)試劑等方面，有待進(jìn)一步改進(jìn)；當(dāng)然，水通量和脫鹽率的提高，一直是膜改進(jìn)的首選。

（1）無(wú)紡布和底膜的改進(jìn)

反滲透復(fù)合膜用多孔無(wú)紡布增強(qiáng)和支持其上的聚砜底膜（支撐層）和脫鹽層，要求多孔無(wú)紡布強(qiáng)度高、薄（100μm）、均勻、孔隙率高等；聚砜底膜（支撐層）要求無(wú)缺陷、?。?0 μm）、孔均勻、孔隙率高、結(jié)構(gòu)呈密度梯度型、與其下的多孔無(wú)紡布和其上的脫鹽層結(jié)合牢固等。有的研究認(rèn)為通過(guò)底膜和脫鹽層間界面的改性、增加底膜表面的極性有利于復(fù)合膜產(chǎn)水率和脫鹽率的提高；調(diào)節(jié)底膜鑄膜液中添加劑品種和用量，如加入含環(huán)氧基的化合物或含異氰酸基的化合物等，使底膜缺陷少、孔徑更均勻、孔隙率更高。

（2）新的功能單體

通過(guò)研究功能單體與膜性能的關(guān)系，希望為新型反滲透復(fù)合膜的研究提供依據(jù)。在功能單體中引入能與水分子形成氫鍵的官能團(tuán)、親水基團(tuán)等，提高膜的截留率、水通量、耐氯性和抗氧化性。除最通用的間苯二胺（m-PDA）和均苯三甲酰氯（TMC）外，報(bào)道過(guò)的酰氯類功能單體有：間苯二甲酰氯（IPC）、對(duì)苯二甲酰氯（TPC）、5-氧甲酰氯-異酞酰氯（CFIC）和 5-異氰酸酯-異酞酰氯（ICIC）、3，4，5聯(lián)苯三酰氯（BTRC）和3，3，5，5聯(lián)苯四酰氯（BTEC）等；報(bào)道過(guò)的多胺類功能單體還有對(duì)苯二胺（PPD）、2，4-二氨基甲苯（m-MPDA）、磺酸間苯二胺（SMPD）、3，3′-二氨基二苯砜、4-氯間苯二胺、4-硝基間苯二胺、2-二氨基二苯甲烷（DDM）、聚乙烯亞胺、氨基葡萄糖等。

（3）界面聚合的參數(shù)控制

界面聚合制備復(fù)合膜是非常復(fù)雜的過(guò)程，要獲得性能優(yōu)異的復(fù)合膜，有很多參數(shù)必須嚴(yán)格控制，如：支撐膜的處理、水和油相中的各組分的選擇和配比、pH、接觸時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間、熱處理溫度和時(shí)間（以調(diào)控膜的親水性）、荷電性和表面粗糙度等。

通常在水相中加入不同的酸吸收劑，控制反應(yīng)的pH，同時(shí)調(diào)節(jié)胺的擴(kuò)散：如樟腦磺酸（CSA）/三乙胺（TEA）和1，1，3，3-四甲基胍（1，1，3，3-tetramethylguanidine）/甲基苯磺酸（Toluene sulfonic acid）等季銨鹽類相轉(zhuǎn)移催化劑，極性疏質(zhì)子溶劑六甲基磷酰三胺（HMPA）、鄰氨基苯甲酸三乙胺鹽、間氨基苯甲酸三乙胺鹽、2-（2-羥乙基）吡啶、4-（2-羥乙基）嗎啉等親水性添加劑。有時(shí)在水相中加入不同調(diào)節(jié)劑，進(jìn)一步調(diào)節(jié)胺的擴(kuò)散，如少量的丙酮、2-丁氧基乙醇、丙三醇、二甲亞砜等，進(jìn)一步提高膜的通量。通過(guò)向 MPD 水相中加入對(duì)苯二酚，再與 TMC 反應(yīng)可制得耐氯性優(yōu)于聚酰胺膜的聚酯酰胺膜等。

通常在油相中加入不同添加劑，在油相/水相的界面處遇水而發(fā)生水解反應(yīng)，水解生成的分子可以調(diào)節(jié)聚酰胺分子和薄膜的微結(jié)構(gòu)，如鈦酸丁酯、磷酸三丁酯（TBP）、磷酸三苯酯（TPP）等?？傊?，添加劑對(duì)膜性能的影響非常大，可以提高膜的親水性和通量，改善抗生物污染和耐化學(xué)性等。

3．反滲透膜的表面改性

（1）物理改性

表面涂層是最簡(jiǎn)單常用的物理改性方法。聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、殼聚糖（CS）、聚乙撐胺等高度親水性材料常被用來(lái)直接涂覆到膜的表面，增強(qiáng)膜的親水性和抗污染能力 。聚乙烯亞胺（PEI）則可通過(guò)分子間氫鍵被自組裝到常規(guī)聚酰胺膜表面，改變膜的荷電性和親水性，進(jìn)而改善膜的耐污染性。表面涂層的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，涂層物質(zhì)可選擇性高，改性初期效果較好，但存在易脫落、增大滲透阻力和降低膜通量的缺點(diǎn)。

（2）化學(xué)改性

復(fù)合膜的化學(xué)改性是用一些特定的化學(xué)試劑來(lái)處理膜，或者采用接枝聚合方法來(lái)調(diào)節(jié)復(fù)合膜表面層分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以獲得性能提高的復(fù)合膜。例如，將聚酰胺層用過(guò)硫酸鉀、過(guò)硫酸銨或過(guò)硫酸鈉溶液浸泡，烘干后可使反滲透復(fù)合膜的耐氯性、耐氧化性和抗污染性進(jìn)一步提高。或者，用含有環(huán)氧基、異氰酸基或硅氧基的化合物溶液處理膜，可使膜粗糙度明顯減小，荷電趨于中性，降低膜的表面能，減弱污染物在膜表面的吸附，從而提高膜的抗污染能力。

在商業(yè)化的聚酰胺反滲透復(fù)合膜表面接枝上親水的氨基磺化聚醚砜（SPES-NH₂）、PVA、PVA_m、PAA、PEG、PEMAEMA、甜菜堿（PSVBP）、MTAC 等，含-（CH₂CH₂O）N-的親水支鏈，分子刷結(jié)構(gòu)的支化聚環(huán)氧烷（PAO）聚合物，海因衍生物等，可明顯改善膜的表面親水性和光滑度，增強(qiáng)膜的抗污染能力和/或耐氯性。

（3）等離子體改性

由于等離子體改性比傳統(tǒng)方法制備的聚合層具有更好的熱穩(wěn)定性和黏附性，因此有可能改善反滲透膜的滲透性、選擇性和抗污染性。如在界面聚合之前用等離子處理聚砜超濾膜，引入親水性單體丙烯酸、丙烯腈、丙烯胺、乙二胺等，使反滲透膜的水通量、截留率和耐氯性都有明顯的改進(jìn)。

4．有機(jī)/無(wú)機(jī)納米粒子雜化反滲透膜和仿生膜的研究

（1）有機(jī)/無(wú)機(jī)納米粒子雜化反滲透膜（TFN）

2007 年，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的 Hoek課題組與加州大學(xué)河濱分校（UCR）的 Yan 課題組合作將納米級(jí)分子篩填充至聚酰胺反滲透復(fù)合膜中，使膜的水通量提高近兩倍，而鹽截留率基本保持不變，并首次提出了超薄納米復(fù)合反滲透膜（TFN）的概念。納米粒子分散在高分子膜中，可對(duì)膜的細(xì)微結(jié)構(gòu)和宏觀性能產(chǎn)生不同程度的影響，研究表明分子篩的種類、粒徑大小和均勻性、孔結(jié)構(gòu)和大小、膜中分散均勻性、有機(jī)/無(wú)機(jī)界面調(diào)控、交聯(lián)度、微小缺陷、分子篩的孔道效應(yīng)等，與膜結(jié)構(gòu)、親水性、荷電性、化學(xué)、熱力學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性等的關(guān)系是十分緊密的。例如，將納米沸石分子篩分散到水相或油相中進(jìn)行界面聚合反應(yīng)時(shí)，得到的 TFN 復(fù)合膜性能會(huì)大不一樣。當(dāng)在聚酰胺膜中嵌入其他納米粒子如碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯、納米銀或TiO₂等時(shí)，膜也將展示不一樣的細(xì)微結(jié)構(gòu)和宏觀性能。

（2）仿生膜的研究

由于水通道蛋白（AQPs）具有獨(dú)特的水通道（約3nm）、水分子靶向點(diǎn)和優(yōu)異的選擇性，將它們嵌入到聚酰胺反滲透復(fù)合膜活性表面層中制得的仿生膜，理論上可使膜的水通量提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。

例如Zhao等直接將由蛋白脂質(zhì)體固載的水通道蛋白添加到水相通過(guò)界面聚合制備了TFC 水通道蛋白基仿生膜，對(duì) NaCl的截留率為97%，而水通量顯著提升，高達(dá)4L/（m²·h·bar）（測(cè)試條件：10mmol/L NaCl，5bar），比BW30膜和SW30HR膜的水通量分別高約40%和10倍。雖然水通道蛋白的嵌入可顯著提高膜的水通量，但前提是能篩選到合適的載體，目前報(bào)道使用的有蛋白脂質(zhì)體、蛋白聚合物囊泡或者嵌段共聚物，以使固載的水通道蛋白能與基底膜更好相容，并且被包覆，從而具有好的化學(xué)穩(wěn)定性，最終在水環(huán)境中發(fā)揮獨(dú)一無(wú)二的功能。

Saeki認(rèn)為水通道蛋白的三維結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，并且對(duì)基底膜很敏感，于是選擇將結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的短桿菌肽（GA）嵌入荷正電的雙層脂質(zhì)體中，然后在外加壓力（0.15 MPa）下通過(guò)靜電作用固載于荷負(fù)電的磺化聚醚砜納濾膜（NTR-7450）上制得具有反滲透性能的仿生膜，該膜對(duì)NaCl的截留率高于97%，水通量可達(dá)11.08L/（m²·MPa），但遠(yuǎn)低于理論值。

四、新型納米反滲透膜的開發(fā)研究

1．基于碳的納米反滲透膜

基于碳納米材料的納米反滲透膜由于其優(yōu)越的離子過(guò)濾性已經(jīng)受到研究者的廣泛關(guān)注，例如碳納米管和石墨烯納米片。均勻排列的碳納米管是一種內(nèi)壁光滑、水合性強(qiáng)的二維層狀納米材料，具有獨(dú)特的水分子通透性及鹽離子拒絕率等特性。對(duì)孔徑為 8nm 的多壁碳納米管采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，結(jié)果表明其水流量是傳統(tǒng)反滲透膜的 4 倍左右。進(jìn)一步在碳納米管孔口處修飾聚合物基體后不僅提高了水分子通過(guò)率以及鹽離子拒絕率（也稱拒鹽率），而且具有極其強(qiáng)的防污性能。

石墨烯納米片是基于石墨烯及石墨烯氧化物所制備的另一種新型碳基納米反滲透膜，王乃鑫等將石墨烯納米片嵌入到聚電解質(zhì)表面，提高了石墨烯納米片的機(jī)械性能和熱性能，同時(shí)這種石墨烯納米反滲透膜具有優(yōu)異的鎂離子、鈉離子拒絕率，但是水流量相對(duì)較低；將聚酰胺修飾到石墨烯納米片表面后，得到的聚酰胺/石墨烯納米片反滲透膜具備較高的水分子通過(guò)率以及拒鹽率。

2．基于金屬和金屬氧化物的納米反滲透膜

目前很多研究者將大量的金屬以及金屬氧化物（沸石、二氧化硅、銀納米粒子等）修飾到聚合物基體表面，合成的納米反滲透膜提高了其水流量、離子排斥率和防污特性等性能。通過(guò)界面聚合制備的沸石/聚酰胺納米反滲透膜的水離子通過(guò)率和拒鹽率比純凈的聚酰胺納米反滲透膜提高了近兩倍，這是由于沸石所具有的獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)增加了膜的滲透性，而膜表面的電荷又能拒絕海水中離子透過(guò)。

二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N光催化材料，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于制備納米防污膜，二氧化鈦/聚酰胺納米反滲透膜是由二氧化鈦通過(guò)自組裝的方式，并以氫鍵和羧基結(jié)合到聚酰胺層表面所制備的，防污測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明二氧化鈦/聚酰胺納米反滲透膜具有較低的離子通過(guò)率，從而具備優(yōu)越的防污特性。

3．基于水通道蛋白的納米反滲透膜

20世紀(jì)阿格雷等因?yàn)槭状伟l(fā)現(xiàn)了水通道蛋白而獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而水分子可以快速、順利地通過(guò)單通道蛋白啟發(fā)人們，生物脂層具有較高的水通透性以及離子選擇性。Kumar等從大腸桿菌中提取的水通道蛋白，制備了一種蛋白聚合納米反滲透膜，被證實(shí)具有較高的水分子通透性和鹽離子拒絕率，而初步應(yīng)用于海水淡化。

五、反滲透（RO）在海水淡化中的應(yīng)用研究

1．反滲透除鹽工藝

RO是水經(jīng)過(guò)膜的有選擇性透過(guò)，讓溶解物、顆粒和水分離，除去溶解的離子、大分子有機(jī)物及顆粒。反滲透可去除水中大部分的無(wú)機(jī)鹽、0.0001μm大小的顆粒和分子量在150～200范圍內(nèi)的有機(jī)物，除鹽率可高達(dá)99%以上。反滲透已成為目前世界公認(rèn)的先進(jìn)的水處理技術(shù)，近年廣泛應(yīng)用于電廠除鹽系統(tǒng)中。

2．反滲透膜元件的形式及特點(diǎn)

反滲透裝置的元件（也稱為反滲透膜元件）形式有板框式、管式、卷式、中空纖維式四種類型，目前，應(yīng)用最多的是卷式反滲透器，板框式和管式僅用于特種濃縮處理場(chǎng)合。

（1）板框式反滲透器

板框式反滲透器由一定數(shù)量的承壓板和反滲透單元組成，承壓板兩側(cè)覆蓋微孔支撐板，微孔板的兩面粘貼著反滲透膜成為最小反滲透單元。將這些貼有膜的微孔板與承壓板多層間隔疊合，用長(zhǎng)螺栓固定后，裝入密封耐壓容器中，構(gòu)成反滲透器。高壓鹽水以紊流狀態(tài)沿膜與膜的間隙流過(guò)，在此過(guò)程中，通過(guò)反滲透膜進(jìn)入多孔隔板的淡化水在板內(nèi)匯集，進(jìn)入周邊集水槽后再流出裝置。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是能承受高壓，缺點(diǎn)是占地面積大，易產(chǎn)生濃差極化。

（2）管式反滲透器

管式反滲透器有內(nèi)壓式和外壓式兩種。膜形是管狀的。管狀膜襯在耐壓微孔管套上，并把許多單管以串聯(lián)或并聯(lián)方式接連裝配成管束。當(dāng)水在反滲透操作壓力推動(dòng)下，從每根管內(nèi)透過(guò)膜并由管的微孔壁滲出管外時(shí)，稱為內(nèi)壓式。當(dāng)膜襯在耐壓微孔管外壁，水向管內(nèi)滲出時(shí)，則稱外壓式。外壓式水流流態(tài)差，一般用內(nèi)壓式。內(nèi)壓式的優(yōu)點(diǎn)是水流流態(tài)好，易安裝、清洗、拆換；缺點(diǎn)是單位體積內(nèi)膜面積小。

（3）卷式反滲透器

卷式（又稱螺旋式）反滲透器的組件，是由中間夾入一層多孔支撐材料、由兩張膜貼連成的袋形反滲透膜，袋形膜之間加設(shè)濃水導(dǎo)流網(wǎng)，導(dǎo)流網(wǎng)與袋形膜的開口邊固定在淡水多孔集水管上后，以淡化管為軸卷成螺旋卷狀而成。

卷式反滲透器由組件串聯(lián)而成，鹽水由一端流入導(dǎo)流隔網(wǎng)，從另一端流出。卷式反滲透器的優(yōu)點(diǎn)是單位體積膜填充面積大、水流流態(tài)好，結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)是易堵，清洗較困難。

（4）中空纖維式反滲透器

中空纖維的外徑通常為50～100μm，壁厚12～25μm，內(nèi)徑25～50μm，外徑與內(nèi)徑比約為2∶1，故能受管內(nèi)外的極大壓差。一般將幾十萬(wàn)根中空長(zhǎng)纖維彎成U形裝在耐壓容器中，其開口端固定在圓板上用環(huán)氧樹脂密封，構(gòu)成反滲透器。在高壓作用下，淡水透過(guò)每根纖維管管壁進(jìn)入管內(nèi)，由開口端匯集流出容器。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是單位體積內(nèi)膜的填充密度最大，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需承壓材料；缺點(diǎn)是易堵，清洗困難，對(duì)進(jìn)水處理要求很嚴(yán)。

3．反滲透膜組件及其排列

（1）膜組件

膜組件由一個(gè)或多個(gè)卷式膜元件串聯(lián)起來(lái)，放置在壓力容器組件內(nèi)組成。膜組件的排列組合合理與否，對(duì)膜元件的使用壽命有至關(guān)重要的影響。

（2）段與級(jí)的概念

為了使反滲透裝置達(dá)到給定的回收率，同時(shí)保持給水在裝置內(nèi)的每個(gè)組件中處于大致相同的流動(dòng)狀態(tài)，必須將裝置內(nèi)的組件分為多段錐形排列，段內(nèi)并聯(lián)，段外串聯(lián)。

在反滲透系統(tǒng)中濃水流經(jīng)一次膜組件就稱為一段，流經(jīng)n次膜組件，即稱為n段，增加段數(shù)可以提高系統(tǒng)的回收率。反滲透淡水（產(chǎn)品水）流經(jīng)一次膜組件稱為一級(jí)，產(chǎn)品水流經(jīng)n次膜組件處理，稱為n級(jí)，增加級(jí)數(shù)可以提高系統(tǒng)除鹽率。

（3）反滲透膜組件的排列組合

根據(jù)水質(zhì)和用戶的要求，反滲透可采用一級(jí)一段、一級(jí)多段、多級(jí)多段的配置方式組成水處理系統(tǒng)。圖2-5所示為一級(jí)一段連續(xù)式系統(tǒng)。這種配置方式水的回收率不高，因而一般不采用這種方式。為提高水的回收率，將部分濃縮液返回液槽，再次通過(guò)膜組件進(jìn)行分離，這樣會(huì)使透過(guò)的水質(zhì)有所下降。

一級(jí)多段式配置適合大處理量的場(chǎng)合，這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是水回收率提高，濃縮液的量減少。圖2-6為一級(jí)多段連續(xù)式系統(tǒng)。這種配置方式在各段的組件膜表面上，水的流速不同，流速隨著段數(shù)的增加而下降，容易使?jié)獠顦O化加大，為此可將多個(gè)組件配置成段，而且隨著段數(shù)的增加，組件的個(gè)數(shù)減少，可以采用一級(jí)多段連續(xù)式錐形排列，并加用高壓泵，以克服多段流動(dòng)壓力損失。

組件的多級(jí)多段式配置是將第一級(jí)的透過(guò)水作為下一級(jí)的進(jìn)料液再次進(jìn)行反滲透分離，如此延續(xù)，將最后一級(jí)的透過(guò)水引出系統(tǒng)，而濃縮液從后級(jí)向前一級(jí)返回與前一級(jí)的進(jìn)料液混合后，再進(jìn)行分離，這種方式既提高了水的回收率，又提高了透過(guò)水的水質(zhì)，因而有較高的實(shí)用價(jià)值，實(shí)際工程中應(yīng)用最多。多級(jí)多段式配置也有連續(xù)式和循環(huán)式之分，如圖2-7所示為多級(jí)多段循環(huán)式系統(tǒng)。

4．海水淡化系統(tǒng)及典型配置

（1）海水淡化系統(tǒng)流程

海水淡化系統(tǒng)流程如下所示。

海水→機(jī)組循環(huán)泵（或機(jī)組循環(huán)水排水虹吸井）→海水原水池→海水原水升壓泵→絮凝沉淀池→超濾配水槽→超濾膜池→超濾膜組件→超濾透過(guò)液泵→超濾產(chǎn)水箱→一級(jí)RO海水提升泵→一級(jí)RO保安過(guò)濾器→一級(jí)RO高壓泵和PX能量回收裝置→一級(jí)RO膜組件→一級(jí)RO產(chǎn)水箱→二級(jí)R高壓泵→二級(jí)RO膜組件→二級(jí)RO產(chǎn)水箱

（2）典型海水淡化系統(tǒng)的配置

反滲透（RO）系統(tǒng)采用帶能量回收裝置（PX）的一級(jí)海水淡化反滲透（RO）系統(tǒng)和二級(jí)預(yù)脫鹽反滲透（RO）系統(tǒng)。

一級(jí)反滲透（RO）系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水的總量為1440m³/h，分為6個(gè)系列，每個(gè)系列的最大處理量為240m³/h，其中部分產(chǎn)水作為工業(yè)用水、生活用水和消防用水，直接進(jìn)入相應(yīng)的工業(yè)水池、生活水池和消防水池，水量為960m³/h。水量為480m³/h的另一部分產(chǎn)水，再經(jīng)三個(gè)系列，每個(gè)系列最大處理量為130m³/h，經(jīng)二級(jí)反滲透（RO）系統(tǒng)進(jìn)一步脫鹽后，進(jìn)入二級(jí)反滲透（RO）產(chǎn)水箱供補(bǔ)給水除鹽系統(tǒng)用。

反滲透裝置的水的回收率：一級(jí)海水膜不小于45%，二級(jí)淡水膜不小于85%。一級(jí)膜裝置三年內(nèi)總脫鹽率不小于99.3%，三年后脫鹽率不小于99%。二級(jí)膜裝置三年內(nèi)總脫鹽率不小于98%，三年后脫鹽率不小于97%。

5．水中有害成分對(duì)反滲透的影響

反滲透膜是反滲透技術(shù)的核心。水中有害成分的危害主要表現(xiàn)在對(duì)膜的作用上。膜受損后必將影響到反滲透裝置的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

（1）懸浮物和膠體物質(zhì)很容易使反滲透膜孔堵塞，減小膜的有效工作面積，導(dǎo)致產(chǎn)水量和脫鹽率降低。

（2）有機(jī)物對(duì)反滲透膜的影響各不相同。單寧酸等有機(jī)物會(huì)污染膜體、惡化水質(zhì)；腐殖酸等有機(jī)物被膜截留但不污染膜；乙酸或丙酸等有機(jī)物能通過(guò)膜，使產(chǎn)品水質(zhì)受到污染。

（3）細(xì)菌和微生物對(duì)反滲透膜的污染因膜種類不同而各異。醋酸纖維素膜易受細(xì)菌的侵蝕而降解，導(dǎo)致脫鹽率下降；微生物污染會(huì)形成致密的凝膠層，降低流動(dòng)混合效果，同時(shí)酶的作用會(huì)促使膜體降解和水解，引起水通量和脫鹽率下降，壓降增加。復(fù)合膜和聚酰胺膜雖不易受微生物侵蝕降解，但微生物的聚集繁殖也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水率和脫鹽率降低，并使膜的使用壽命縮短。

（4）游離氯（次氯酸HClO和次氯酸根ClO^－）幾乎可使所有反滲透膜（新聚砜膜除外）受到程度不同的破壞。其中，復(fù)合膜和芳香聚酰胺膜對(duì)之更為敏感，0.1mg/L的濃度就能使膜的性能惡化。而醋酸纖維素膜對(duì)之的耐受力較強(qiáng)，游離氯的濃度可達(dá)0.5～1.0mg/L。

（5）鐵、錳、鋁等金屬氧化物含量高時(shí)，會(huì)在膜表面上形成氫氧化物膠體沉淀，使膜孔堵塞，損害反滲透膜的工作性能。

（6）水中高含量的SO和SiO₂均可在膜表面上析出沉淀形成結(jié)垢，使膜受到污染，水通量下降，壓降下降，工作效率受損。