反滲透膜分離技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)
在相同的外壓下，當(dāng)溶液與純?nèi)軇榘胪改じ糸_(kāi)時(shí)，純?nèi)軇?huì)通過(guò)半透膜使溶液變淡的現(xiàn)象稱為滲透。這時(shí)溶劑分子在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入溶液內(nèi)的數(shù)目要比溶液內(nèi)的溶劑分子在同一時(shí)間內(nèi)通過(guò)半透膜進(jìn)入純?nèi)軇﹥?nèi)的數(shù)目多。表面上看來(lái)，溶劑通過(guò)半透膜滲透到溶液中，使得溶液體積增大，濃度變稀，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)溶劑分子從兩個(gè)相反的方向穿過(guò)半透膜的數(shù)目彼此相等，即達(dá)到滲透平衡。滲透須通過(guò)一種膜來(lái)進(jìn)行，這種膜只能允許溶劑分子通過(guò)，而不允許溶質(zhì)的分子通過(guò)，因此稱之為半透膜。
當(dāng)半透膜隔開(kāi)溶液與純?nèi)軇r(shí)，加在原溶液上使其恰好能阻止純?nèi)軇┻M(jìn)人溶液的額外壓力稱之為滲透壓，通常溶液愈濃，溶液的滲透壓愈大。如果加在溶液上的壓力超過(guò)了滲透壓，則反而使溶液中的溶劑向純?nèi)軇┓较蛄鲃?dòng)，這個(gè)過(guò)程叫做反滲透。反滲透膜分離技術(shù)就是利用反滲透原理進(jìn)行分離的方法。
反滲透膜分離技術(shù)的特點(diǎn)如下:
a．在常溫不發(fā)生相變化的條件下，可以對(duì)溶質(zhì)和水進(jìn)行分離，適用于對(duì)熱敏感物質(zhì)的分離、濃縮，并且與有相變化的分離方法相比，能耗較低。
b．雜質(zhì)去除范圍廣，不僅可以去除溶解的無(wú)機(jī)鹽類，而且還可以去除各類有機(jī)物雜質(zhì)。
c．較高的除鹽率和水的回用率，可截留粒徑幾個(gè)納米以上的溶質(zhì)。
d．由于只是利用壓力作為膜分離的推動(dòng)力，因此分離裝置簡(jiǎn)單，容易操作、白控利維修。
c．由于反滲透裝置要在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此須配備高壓泵和耐高壓的管路。
f．反滲透裝置要求進(jìn)水要達(dá)到一定的指標(biāo)才能正常運(yùn)行，因此源水在進(jìn)反滲透膜器之前要采用一定的預(yù)處理措施。為了延長(zhǎng)膜的使用壽命，還要定期對(duì)膜進(jìn)行清洗，以清除污垢。
反滲透膜污染與濃差極化
自然界中的水并不是靜止不動(dòng)的，而是不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換以及周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)，即水的自然循環(huán)。同時(shí)，人類為滿足生活和生產(chǎn)的需求，不斷地取用天然水體中的水，產(chǎn)生大量的生活污水和生產(chǎn)廢水，排放后重新進(jìn)人天然水體。自然界中的水中含有各類雜質(zhì)，按其在水中的存在狀態(tài)可分為3類：懸浮物質(zhì)、溶解物質(zhì)和膠體物質(zhì)。天然水源中的雜質(zhì)種類和數(shù)量各不相同，即使同一水源中的水，具雜質(zhì)成分與含量也隨著時(shí)間、地點(diǎn)和氣候而變化。
當(dāng)用
反滲透膜對(duì)水和溶質(zhì)進(jìn)行分離時(shí)，盡管對(duì)原水進(jìn)行了適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，但水的雜質(zhì)仍會(huì)聚集在膜的表面使膜污染，結(jié)果使膜的分離率或透水速度下降，或兼而有之。膜的污染類型通常有：水中難溶鹽在膜表面形成結(jié)垢，金屬氧化物及膠體、微生物形成污垢。膜污染是膜使用中必然產(chǎn)生的現(xiàn)象。另外，在膜分離過(guò)程中，由于水的不斷透過(guò)，使膜表面溶質(zhì)的濃度高于主體溶液中溶質(zhì)的濃度，這種現(xiàn)象稱為膜的濃差極化，界面上比主體溶液高的區(qū)域稱為濃差極化層。膜的濃差極化在實(shí)際的膜分離過(guò)程中是不可避免的，也是不容忽視的，由于濃差極化層溶質(zhì)濃度的增加，溶質(zhì)會(huì)以固體形式析出。
需要指出的是，當(dāng)使用條件(壓力、溫度、進(jìn)水pH值、游離氯等)控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致膜本身性能的惡化，引起膜的損害。
反滲透膜和組件的性能及測(cè)試方法
反滲透膜是反滲透分離技術(shù)的心臟，高性能的膜取決于制膜材料及成膜工藝，對(duì)膜性能要求因使用目的而異。除了應(yīng)有高通量、高截留率外，還應(yīng)有耐酸堿、抗氧化、耐熱、耐污染、耐細(xì)菌、抗壓實(shí)及耐溶劑侵蝕的功能。
反滲透膜的分類，按驅(qū)動(dòng)壓力可分為高壓、低壓和超低壓膜；按膜的形狀分為平板膜、中空纖維膜和管式膜；根據(jù)制膜方法可分為相轉(zhuǎn)化膜和復(fù)合膜。另外，還可根據(jù)制膜材料及膜應(yīng)用對(duì)象等進(jìn)行分類。
反滲透膜構(gòu)造上在表層有一很薄的致密層(0．1—1．0 um)，即脫鹽層或活性層，在表層下部是多孔支撐層，厚度為100～200"m，活性層基本上決定了膜的分離性能，支撐層只是起著活性層的載體作用，基本上不影響膜的分離性能。
在實(shí)驗(yàn)室中常用小面積的膜來(lái)測(cè)試膜的性能，所用的膜分離裝置包括評(píng)價(jià)池及給流體提供壓力和流量的裝置。典型的反滲透評(píng)價(jià)池有幾種型式，應(yīng)用比較廣泛的型式是連續(xù)式泵型，這種評(píng)價(jià)裝置的特點(diǎn)是料液在膜表面有很高的流速，濃度分布均勻。在實(shí)驗(yàn)裝置中常將多個(gè)評(píng)價(jià)池串聯(lián)使用，這樣可同時(shí)進(jìn)行多張膜片的評(píng)價(jià)。
在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)或要求較高產(chǎn)率的試驗(yàn)中，膜分離單元稱為膜組件，所謂膜組件是將各種形態(tài)的反滲透膜制成一定的構(gòu)型的元件，然后將元件置于壓力容器中，并提供給水，濃水及產(chǎn)品水的通道。一個(gè)膜組件膜的裝填密度要大，同時(shí)要求給水在通過(guò)膜面上時(shí)能均勻分布和有良好的流動(dòng)狀態(tài)，使膜的截留率和透水量得到充分利用，目前膜的構(gòu)型多為螺旋卷式和中空纖維式。卷式膜元件是將
反滲透膜、產(chǎn)水流道材料和給水流道材料按一定順序排列粘合及圍繞一多孔中心管卷制而成的。將一個(gè)或幾個(gè)膜元件置于壓力容器中，即構(gòu)成組件(又稱膜組器)。所有膜組件可構(gòu)成某種形式的三端頭膜組件，三端分別為給水進(jìn)口、產(chǎn)水和濃水出口。給水泵人膜組件沿給水流道的隔網(wǎng)層前進(jìn)，并借助其壓力使一部分水通過(guò)反滲透膜滲透到產(chǎn)水的導(dǎo)流層內(nèi)，再順著導(dǎo)流層水道流進(jìn)中心管排孔，經(jīng)中心管流出，其余的給水部分(稱為濃水)從隔網(wǎng)層的另一端排出。這種組件對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求相對(duì)寬容，并可在較高的壓力下運(yùn)行。中空纖維組件是將數(shù)以萬(wàn)計(jì)的中空纖維粘接在一起，裝入耐壓殼體，分出給水、產(chǎn)水、濃水水道，即為中空纖維組件。中空纖維組件的主要特點(diǎn)是：由于具有膜自支撐，單位殼體體積的膜面積相當(dāng)高，因此產(chǎn)水量大。但由于膜面污垢去除困難，因此對(duì)給水要求嚴(yán)格預(yù)處理。膜組件的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化是膜分離技術(shù)中一項(xiàng)重要課題。
應(yīng)當(dāng)注意的是膜及其組件的性能與測(cè)試條件緊密相關(guān)，其中包括進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)、操作壓力、水溫、水的回收率等，嚴(yán)格控制測(cè)試條件才能得到真實(shí)的結(jié)果。