逆渗透

逆渗透（Reverse osmosis）又称反渗透，是利用压力差进行膜分离的一种操作，也是将溶剂从溶液中分离出来的物理过程。预处理和膜分离是反渗透过程中的两个主要步骤。根据不同的分类方法，反渗透可分为纤维素膜反渗透、非纤维素膜反渗透、纳滤膜逆渗透、超滤膜反渗透和多级循环反渗透等。不同的反渗透技术有不同的应用场景。反渗透技术广泛应用于水净化、海水淡化、工业过程水处理和废水回收等领域。这种技术可以通过施加高于溶质的渗透压来有效地从水中去除盐、有机物、微生物和其他污染物，从而生产高纯水。

1953年，美国佛罗里达大学的里德等人首次提出了反渗透海水淡化的概念。此后，反渗透技术经历了不断的更新和发展。20世纪90年代，低压反渗透复合膜问世，被认为是第三代反渗透膜，大大提高了膜的性能，为反渗透技术的发展开辟了广阔的前景。反渗透技术的发展是一个不断改进和创新的过程。反渗透技术进一步提高了性能、扩大应用领域并与其他新兴技术相结合的发展趋势。

根据20世纪50年代末以来的研究，反渗透中的渗透机理受到了广泛关注，并提出了多种不对称反渗透渗透机理和模型。

氢键理论

氢键理论由Reid等人提出，描述了反渗透过程中水分子通过氢键相互作用的机理。在反渗透膜中，水分子通过氢键与膜表面的官能团相互作用，增加了水分子在膜表面的吸附能力，从而促进了水分子通过膜孔的溶剂渗透性。这种相互作用导致水分子在膜表面线性扩散，随着压力的作用，水分子通过形成和打破氢键从致密的活性层进入多孔层，最终流出膜。

毛细孔渗理论

优先吸附-毛细血管渗透性理论是由Zorrila Jin等人提出的。以氯化钠水溶液为例，该理论将溶质定义为氯化钠，将溶剂定义为水。根据这一理论，反渗透膜具有选择性吸水的膜表面，因此水分子将被优先吸附，而溶质氯化钠将被排斥。在压力下，被优先吸附的水分子通过膜，从而实现脱盐过程。

该理论还提出了混合物分离和渗透的临界孔径概念，即选择吸附界面水层厚度的两倍。这意味着膜的表面必须有相应大小的孔。基于这一理论，Zorrila Jin等人成功开发了一种具有高脱盐率和高水渗透性的实用反渗透膜，为反渗透膜技术的实际应用奠定了基础。

溶解扩散理论

根据朗斯代尔（lonsdale ,willian）和赖利（Riley）根据其他人的溶解和扩散理论，反渗透中的膜渗透现象可以解释为溶剂和溶质溶解在膜中，并在化学势差的推动下从一侧扩散到另一侧，直到渗透膜。这一理论假设电影是无缺陷的“完整膜”溶质和溶剂的扩散遵循Fick 美国法律。根据该模型，溶质和溶剂可能溶解在均匀或无孔膜的表面并与化学势差反应（通常表示为浓度差或压差）作为驱动力，它们从膜转移到膜的另一侧。因此，物质的渗透性不仅取决于扩散系数，还取决于其在膜中的溶解度。溶质的扩散系数越小于水分子的扩散系数，水在高压下在膜中的移动速度越快，导致渗透膜的水分子比通过扩散渗透的溶质多。

目前，普遍认为溶液扩散理论被广泛用于解释膜渗透现象。此外，氢键理论、优先吸附毛细渗透理论也可以解释反渗透膜的渗透机理。有学者提出扩散-细孔渗理论、结合水-空穴有序理论和自由体积理论。

预处理：预处理阶段的目标是通过一系列方法去除原水中的悬浮物、胶体、生物污染物、溶解气体等杂质和大部分有机物，从而减轻后续膜处理过程的负担，延长膜的使用寿命。预处理方法通常包括物理处理、化学处理和光化学处理等。

物理处理：物理处理方法主要有沉淀法、过滤、吸附和热处理等。

逆渗透

沉淀：通过添加絮凝剂来促进水中悬浮物的沉淀，可以去除污染物。

过滤：使用不同孔径的过滤介质，如砂滤、活性炭过滤等，将杂质拦截，有效去除悬浮物和一部分溶解物质。

吸附：使用吸附剂吸附水中的有机物和一些离子，如活性炭吸附剂，对有机物有很好的去除效果。

热处理：通过加热原水，一些溶解气体会因温度变化而被去除。

化学处理：化学处理方法主要有氧化法、还原和pH调节等。

氧化：通过添加氧化剂，污染物被氧化成易于去除的物质，通常使用氯作为氧化剂、臭氧和过氧化氢等。

还原：通过添加还原剂，污染物可以被还原成易于去除的形式常用的还原剂包括亚硫酸盐和亚硝酸盐。

pH调节：通过改变水的酸碱性，影响污染物的溶解性和沉降性，从而达到去除的目的。

膜分离：膜分离是反渗透过程的核心步骤，水中的溶质通过反渗透膜分离出来。反渗透膜是一种具有高选择性的半透膜，可以阻止大部分溶质通过，只允许水分子通过膜的孔隙，从而实现水的脱盐和浓缩。

在膜分离过程中，常见的组件包括反渗透膜组件、加压泵、脱盐率监测设备、浓水排放系统和浓水回收系统等。反渗透膜组件是由多层反渗透膜组成的装置，水在通过反渗透膜时分为两部分：穿过膜的纯水通道和截留的浓水通道。增压泵提供足够的压力推动水通过反渗透膜，从而纯水通过膜的孔隙，而溶质被截留在膜的一侧。脱盐率监测设备用于监测膜分离过程中的脱盐效果，以确保获得的水质符合要求。浓水排放系统用于处理截留的浓水，以便将其排放或循环使用，从而减少废水排放。浓水回收系统回收了部分处理后的浓水，提高了水资源的利用率。

除了预处理和膜分离，反渗透过程还可能包括其他水净化过程，如砂滤、活性炭吸附、反渗透预处理等这些步骤根据具体情况和水质要求进行选择和组合，以提高整体水处理效果和膜的使用寿命。

膜材料化学成分

反渗透按膜材料的化学成分可分为纤维素膜反渗透和非纤维素膜反渗透。

纤维素膜逆渗透：纤维素膜反渗透是一种基于纤维素的膜材料，包括醋酸纤维素纤维膜（CA）和三醋酸纤维素薄膜（CTA）纤维素膜反渗透的主要特点之一是其良好的透水性。这意味着水分子可以相对容易地通过膜的孔径，从而实现水的分离和净化。这一特性使得纤维素膜的反渗透在处理高盐度水源如海水淡化时非常有效。此外，纤维素膜的反渗透还具有较高的盐截留性能，可有效去除水中的盐和溶解离子。这使得纤维素膜反渗透适用于处理中等盐浓度的水源，如海水淡化和地表水处理。纤维素膜反渗透材料还表现出优异的化学稳定性，在一定程度上可以耐受化学腐蚀和污染。这使得纤维素膜反渗透在处理含有一定浓度化学物质的水源时具有一定的优势。

非纤维素膜反渗透：非纤维素膜反渗透是一种不基于纤维素的膜材料，通常包括聚醚酮（PEEK）聚醚砜（PES）和聚醚醚酮（PEEK）等。这些膜材料具有一些特殊的特性和优点，广泛应用于水处理领域。首先，非纤维素膜反渗透材料具有较高的耐化学性和机械强度。它们能承受一定程度的化学腐蚀和压力，使用寿命长。这使得非纤维素膜反渗透在处理各种水源时表现出良好的稳定性。此外，非纤维素膜反渗透材料也具有良好的透水性。它们可以相对容易地让水分子通过膜的孔径来实现水的分离和净化。

按膜孔径大小

反渗透可以根据膜的孔径大小进行分类，通常分为纳滤膜反渗透和超滤膜反渗透。

纳滤膜逆渗透：纳滤逆渗透（Nanofiltration   reverse osmosis）这是一种使用聚合物膜的分离技术。这种膜具有特定的孔径范围，通常在0.1纳米到1纳米之间，超滤膜和反渗透膜之间。纳滤膜反渗透可以通过分子水平的选择性过滤有效去除水中的离子、有机物和大多数微生物，同时保留水分子和一些小分子溶质。

超滤膜逆渗透：超滤逆渗透（Ultrafiltration and reverse osmosis）它也是一种膜分离技术，使用大孔径的膜。超滤膜的孔径通常为0.01微米到0.1微米，比纳滤膜略小。它能有效地去除水中的胶体、大分子有机物、细菌和病毒等物质，同时保留水分子和一些小分子溶质。

按组合方式

反渗透作为一种分离、浓缩和净化的工艺是根据反渗透的设计基础确定的。常见的流程形式包括一个阶段和一个段落、一级多段、两级一段、多级循环等形式。

一级一段法：在这种方法中，在料液进入膜组件后，浓缩物和产生的水被连续导出，但水的回收率相对较低，因此在工业应用中很少使用。另一种形式是一段一段循环工艺，一部分浓水返回给料罐，使浓溶液的浓度不断提高虽然出水量大，但产出水的水质会下降。

一级多段法：当采用反渗透作为浓缩工艺时，如果一次浓缩不能满足要求，可采用多级浓缩。这样，通过多次反渗透操作，浓缩液的体积减少，浓度增加，从而相应地增加了产水量。

两级一段法：当一级反渗透不能满足要求时，可以分两步进行。如果膜的脱盐率低，水渗透率高，那么采用两级反渗透更经济。同时，当在低压和低浓度下操作时，可以延长膜的使用寿命。

多级循环：在此过程中，一级反渗透液体用作二级料液，二级渗透液用作下一级料液通过几个阶段的循环脱盐，可以生产相对纯净的淡水。在选择这种工艺时，有必要考虑设备的整体寿命、设备费用、维护管理和技术可靠性。例如，如果有必要将高压的一级过程改为两级过程，则可以在低压下操作，这对膜来说非常重要、装置、密封和水泵是有益的。

反渗透技术的关键在于渗透膜的组合和安装，它决定了反渗透过程中的膜通量、脱盐率和盐渗透性等。在反渗透技术中，有几种常见的渗透膜组合，包括板框式、管式、螺旋缠绕型和中空纤维型。

板框式装置 

板框反渗透装置类似于板框压滤机。该装置由多块圆形多孔渗透板堆叠而成，渗透板的两侧覆盖有反渗透膜，渗透板的外环通过粘合剂与膜密封。装置的外环由“O”o型圈提供支撑并形成压力容器。高压水从上至下穿过每块渗透板，净化水从每块渗透板中导出。然而，板框反渗透装置也有一些缺点装置的液体流动状态比较差，容易导致浓差极化，从而影响反渗透效果。此外，与其他类型的反渗透装置相比，板框反渗透装置的设备成本较高。

管式装置

管式反渗透装置是将膜和支架制成管状，并以一定方式连接成一体的装置。可分为单管式和管束式、内压式和外压式等。装置中的管道直径通常为0.6~2.5 cm，常用材料包括多孔玻璃纤维环氧树脂增强管、多孔陶瓷管、带小孔或集水槽的增强塑料管不锈钢管等。

管式装置水力条件好，适当调节水流状态可防止浓差极化和膜污染，可处理含悬浮物的溶液，但单位体积膜面积小，制造和安装成本高。

螺旋卷式装置

卷式装置的膜组件是将多孔柔性支撑网夹在两层膜之间，并通过粘合密封它们的三个侧面。然后在下面铺设让废水通过的多孔透水格栅，再将另一个开口边缘与多孔集水管密封连接，使进水与净化水完全分离。最后，膜叶以集水管为轴螺旋缠绕紧密。几个膜组件串联在一起，放入一个圆柱形耐压容器中，形成一个螺旋反渗透装置。这种装置具有膜堆密度高结构紧凑的优点，但密封困难易堵塞清洗不便。

中空纤维式装置

中空纤维膜是由制膜液中空纺丝而成的一种细如发丝的空心管。光纤的外径为50100微米，内径为2542 μ m。将数十万个中空纤维膜捆成膜束，并将其弯曲成“U”成型，并放入耐压圆柱形容器中。同时，纤维膜的开口端固定在环氧树脂管板上，形成反渗透装置。原水在高压下进入纤维膜的外侧，而净化水从纤维管中导出。该装置的中空纤维密度很高，不需要膜支撑材料，因此浓差极化可以忽略。然而，该装置的制造工艺复杂，容易堵塞且不便于清洁。

反渗透广泛应用于水处理领域，可用于海水淡化、苦咸水淡化、超纯水制备、城市供水处理、城市污水处理和利用，以及工业废水处理等。特别适用于工业废水处理，如电镀废水、造纸废水和化工废水的处理和净化。

海水淡化

反渗透技术通过使用透析膜从海水中去除盐和杂质来生产淡水。2000年，在中国科技部重点科技攻关项目中“日处理1000吨反渗透海水淡化系统及工程技术开发”在的支持下，山东长岛和浙江嵊泗已建成10000吨/d级反渗透海水淡化示范项目。该技术在海水淡化领域得到广泛应用，各项技术经济指标达到国际先进水平。

纯水、超纯水制备

纯水和超纯水是现代工业中非常重要的原料、微电子、电力、化工、医药等领域应用广泛。自20世纪80年代以来，中国在纯水和超纯水制备系统中采用反渗透和离子交换技术作为主导技术。与单一离子交换过程相比，反渗透-离子交换法的制水成本降低了约30%酸和碱的消耗节省约90%并且树脂再生循环中的水产量增加了约20倍。反渗透膜分离技术在纯水和超纯水制备中的进展、环保的经济效益和社会效益已在大量反渗透项目的实际运行中得到证实。目前，反渗透膜技术在纯水和超纯水制备系统中的市场份额已超过95%

废水资源化

废水循环利用在中国是一个重要问题。仅在中国，废水和污水的年排放量正以18×10^8t的速度增加，工业废水和生活污水的日排放量接近1.64×10^8t，其中约80%未经处理直接排入水中。实施废水循环利用可以实现开发淡水资源和保护环境的双重目标。废水处理和海水淡化在设备和技术上有一些相似之处。反渗透技术是废水处理中常用的方法反渗透膜可以去除废水中的铜、铅、汞、镍、砷、铬、银、硒、锌等离子体的去除率可达90%99%

其他应用

在食品和饮料工业中，除了浓缩奶酪乳清、果汁、蔬菜汁、枫树汁、除了咖啡和糖溶液外，它还用于生产许多其他食品和饮料。在乳品工业中，反渗透技术常用于浓缩牛奶、酸奶和乳清蛋白去除多余的水分，增加产品的浓度和味道。在果汁和蔬菜汁的生产中，反渗透膜用于浓缩果汁，去除水分并保留果汁中的营养物质，从而增加产品的口感和浓度。反渗透也广泛应用于糖浆和糖溶液的生产。通过反渗透膜的过滤，可以除去糖液中的水分，从而得到高浓度的糖浆，可以用来制作糖果、饼干和其他糕点产品。