反渗透（RO）理论与概述

摘要

什么是反渗透？

反渗透（RO）是一种用于净化水的工艺技术，广泛应用于半导体、食品加工、生物技术、制药、发电、海水淡化和市政饮用水等领域。RO行业始于最初仅能生产少量水的实验，如今全球日总产量已超过17亿加仑。

历史背景

反渗透的研究始于20世纪50年代的佛罗里达大学，Reid和Breton证明了醋酸纤维素膜的脱盐特性。Loeb和Sourirajan通过制造第一张非对称醋酸纤维素膜，进一步推动了该技术的发展。

这项早期研究催生了新型和改进的RO膜元件构型，主要是卷式膜元件，在某些情况下也采用中空纤维膜元件。20世纪80年代初，美国政府实验室开发了第一张复合聚酰胺膜，其产水通量和脱盐率均显著高于纤维素膜。随着Hydranautics公司推出ESPA3等产品，该行业在单位压力下的产水通量相比最初的纤维素膜提高了20倍，同时盐透过率降低了一个数量级。

反渗透的关键概念

• 半透性： 指膜具有选择性，允许某些物质通过而截留其他物质，其中水通过的速度远快于溶解固体（盐分）。
• 渗透： 一种自然过程，流体穿过半透膜从高化学势区域（例如纯水）流向低化学势区域（例如盐溶液），直至达到平衡，或静水压差等于渗透压。渗透压是溶液的一种性质，与盐浓度成正比。
• 反渗透： 当对半透膜的盐溶液侧施加一个大于渗透压的外部压力时，溶剂（水）会流向纯水侧。施加的压力是驱动力，对于盐浓度越高的溶液，所需的能量也越多。

渗透压

溶液的渗透压（P_osm）可通过测量溶解盐的浓度来确定： P_osm = 1.19 (T + 273) * Σ(mᵢ) 其中，P_osm 单位为 psi，T 为温度（单位 °C），Σ(mᵢ) 为所有组分的质量摩尔浓度之和。一个近似值是，1000 ppm 的总溶解固体（TDS）约等于 11 psi（0.76 bar）的渗透压。

水通量

水通过半透膜的流量（Q_w）由下式定义： Q_w = (∆P - ∆P_osm) * K_w * S/d 通常简化为： Q_w = A * (NDP) 其中，A 是每种膜材料类型的特有常数，NDP 是净驱动压力或净驱动力。水流量与净驱动压力差成正比。

盐通量

盐通过膜的流量（Q_s）由下式定义： Q_s = ∆C * K_s * S/d 通常简化为： Q_s = B * (∆C) 其中，B 是每种膜类型的特有常数，∆C 是膜两侧的盐浓度差。盐流量与浓度差成正比，且与施加的压力无关。

盐透过率与脱盐率

• 产水盐度（C_p）： 取决于水和盐的相对传输速率：C_p = Q_s / Q_w。
• 盐透过率（SP）： 产水中盐浓度（C_p）与平均进水浓度（C_fm）之比：SP = 100% * (C_p / C_fm)。盐透过率是压力的反函数；当施加压力降低时，盐透过率增加。
• 脱盐率（SR）： 与盐透过率相反：SR = 100% - SP。

产水回收率（转化率）

回收率（R）是指进水转化为产品水（产水）的比率： R = 100% * (Q_p / Q_f) 其中，Q_p 是产品水流量，Q_f 是进水流量。较高的回收率会增加进水-浓水侧的盐浓度，从而增加跨膜的盐流量和渗透压，进而降低净驱动压力和产品水流量。

浓差极化

当水通过膜而盐分被截留时，在膜表面附近会形成一个盐浓度高于主体溶液的边界层。这被称为浓差极化，它会：

1. 增加膜表面的渗透压（∆P_osm），降低净驱动压力差。
2. 减少跨膜的水流量（Q_w）。
3. 增加跨膜的盐流量（Q_s）。
4. 增加难溶盐沉淀并导致膜结垢的可能性。

浓差极化因子（CPF）是膜表面盐浓度（C_s）与主体溶液盐浓度（C_b）的比值： CPF = C_s / C_b CPF 与产水流量（Q_p）成正比，与平均进水流量（Q_favg）成反比。海德能公司建议 CPF 限值为 1.20，这对应于 40 英寸长膜元件的 18% 产水回收率。

商用反渗透膜技术

商用反渗透膜由一层厚度为几千埃的薄聚合物薄膜浇铸在织物支撑层上构成。关键特性包括高透水性、高半透性（水传输速率远高于离子传输速率）、在宽 pH 和温度范围内的稳定性以及良好的机械完整性。商业上可用的膜寿命通常为 3 至 5 年。主要使用两种聚合物材料：醋酸纤维素（CA）和复合聚酰胺（CPA）。

醋酸纤维素（CA）膜

最初的 CA 膜由二醋酸纤维素聚合物制成；当前版本使用二醋酸纤维素和三醋酸纤维素的混合物。其制造过程是将基于丙酮的溶液浇铸到无纺聚酯织物上，然后进行冷浴处理和在 60 - 90 °C 下的高温退火。退火步骤提高了半透性，降低了水传输速率并显著减少了盐透过率。CA 膜具有不对称结构，其致密表层厚度约为 1000 - 2000 Å（0.1 - 0.2 微米），负责脱盐，而海绵状多孔膜层则提供高透水性。CA 膜能耐受有限水平的游离氯，表面光滑且表面电荷少，适用于具有高污染潜力的进水，如市政污水和地表水。

复合聚酰胺（CPA）膜

CPA 膜通过两步制造：

1. 将多孔聚砜支撑层浇铸到无纺聚酯织物上。该层不具有半透性。
2. 通过单体的界面聚合，在聚砜基底上形成半透性膜表皮。 这使得支撑层和脱盐表皮的性能可以独立优化。CPA 膜通常比 CA 膜具有更高的比水通量和更低的盐透过率，并且在更宽的 pH 范围内保持稳定。然而，它们易受游离氯的氧化降解影响。

膜组件构型

反渗透的两种主要组件构型是中空纤维式和卷式。管式、板框式构型用于特定行业，但在通用反渗透中不太常见。

中空纤维（HFF）膜

HFF 膜是由纤维素或非纤维素材料挤出成型的中空纤维，具有不对称结构，通常内径约为 42 微米（0.0016 英寸），外径约为 85 微米（0.0033 英寸）。数百万根这样的纤维被捆扎、折叠并用环氧树脂密封在一个组件（渗透器）中，组件直径通常为 10 至 20 厘米（4 至 8 英寸），长度约为 137 厘米（54 英寸）。加压进水径向流过纤维束，透过纤维壁进入中空内腔，然后作为产水流出。

中空纤维单元在非湍流或层流状态下运行，单位面积的产水流量低，因此浓差极化程度较低。它们需要最低浓水流量以最小化浓差极化并保持均匀的流量分布。单个中空纤维渗透器的回收率可达 50%。它们单位体积的膜面积大，因此系统紧凑。由于纤维紧密堆积且进水流动路径曲折，HFF 组件对进水水质要求（较低的悬浮固体含量）高于卷式组件。

卷式膜

卷式元件由两张平膜组成，中间隔有产水收集通道，三边密封形成膜叶。添加进水/浓水隔网，多个膜叶围绕中心带孔的塑料产水管卷绕而成。典型的工业卷式元件长度约为 100 或 150 厘米（40 或 60 英寸），直径约为 10 或 20 厘米（4 或 8 英寸）。

进水/浓水从进水端轴向流向浓水端，平行于膜表面。进水通道隔网诱导湍流并减少浓差极化。制造商规定了控制浓差极化所需的浓水流量，将单个元件的回收率限制在 10% 至 20% 之间。为了实现更高的总回收率，系统通常采用多级配置，在压力容器内串联连接三到六个元件。一个装有四到六个元件的单根压力容器回收率可达 50%。卷式元件通常由二醋酸纤维素和三醋酸纤维素（CA）混合物或薄膜复合材料（例如聚酰胺、聚砜、聚脲）制成。与 CA 混合物相比，复合膜通常在较低的操作压力下提供更高的脱盐率。

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