逆滲透（reverse osmosis）又稱為反滲透，是一種利用壓力差進行膜分離的操作，也是一種將溶劑從溶液中分離出來的物理過程。預處理和膜分離是逆滲透工藝流程中的兩個主要步驟。
根據不同的分類方式，逆滲透可以分為纖維素膜逆滲透、非纖維素膜逆滲透、納濾膜逆滲透、超濾膜逆滲透和多級循環逆滲透等幾種類型。不同的逆滲透技術具有不同的應用場景。逆滲透技術廣泛應用于凈水處理、海水淡化、工業過程水處理和廢水回收等領域。該技術通過施加高于溶質的滲透壓，可以有效去除水中的鹽類、有機化合物、微生物和其他污染物，從而產生高純度的水。
1953年，佛羅里達大學的Reid等人首次提出了逆滲透海水淡化的概念。此后，逆滲透技術經歷了持續的更新和發展。在90年代，低壓逆滲透復合膜問世，被認為是第三代逆滲透膜，極大地提高了膜的性能，為逆滲透技術的發展開辟了廣闊的前景。逆滲透技術的發展是一個持續不斷的改進和創新過程。逆滲透技術具有進一步提高性能、擴大應用領域，并與其他新興技術相結合的發展趨勢。
發展歷史
在1748年，Nollet便觀察到了滲透現象，但直到20世紀20年代，Van't Hoff和J·W·Gills通過對現象的研究總結，建立了稀溶液理論和滲透壓與其他熱力學性能之間的關系。這為逆滲透現象的研究工作提供了堅實的理論基礎。
逆滲透作為一項新型的膜分離技術，最早是在1953年由美國C. E. Reid教授在佛羅里達大學首次發現醋酸纖維素類具有良好的半透性。同年，根據Reid的建議，逆滲透研究被納入美國國家計劃。
1960年，加利福尼亞州大學首次成功制備了世界上具有歷史意義的非對稱醋酸纖維逆滲透半透膜，其脫鹽率達到了高水平（98.6%），推動了膜技術的發展，逆滲透技術首次被應用于海水和咸水淡化。
1961年，美國Hevens公司首次提出了管式膜組件的制造方法。
1965年，美國加利福尼亞大學制造出了用于咸水淡化的管式逆滲透裝置。
70年代初，杜邦推出了芳香族聚胺中空纖維逆滲透器“Permasep B-9”（獲得1971年美國Kirkpatrick化學工程最高獎），使逆滲透技術性能得到了顯著提高。
80年代初，全芳香族聚酰胺復合膜及其卷式元件問世。之后逆滲透膜開始被應用于工業領域，用于醇類等共沸物的脫水。
90年代，低壓逆滲透復合膜出現，成為第三代逆滲透膜，大幅度提高了膜的性能，為逆滲透技術
基本理論
根據20世紀50年代末以來的研究，逆滲透中的透過機理已經得到廣泛關注，并提出了多種不對稱逆滲透的透過機理和模型。
氫鍵理論
氫鍵理論是由托馬斯·里德等人提出的，它描述了逆滲透過程中水分子通過氫鍵相互作用的機制。在逆滲透膜中，水分子與膜表面的功能基團通過氫鍵相互作用，增加了水分子在膜表面的吸附能力，從而促進水分子通過膜孔隙的溶劑通透性。這種相互作用導致水分子在膜表面形成線形排列型的擴散，并隨著壓力作用，水分子通過形成和斷開氫鍵，從致密活性層進入多孔層，最終流出膜外。
優先吸附-毛細孔滲理論
優先吸附-毛細孔滲理論由索里拉金等人提出。該理論以氯化鈉水溶液為例，將溶質定義為氯化鈉，溶劑為水。根據該理論，逆滲透膜具有選擇性吸水的膜表面，因此水分子會被優先吸附，而溶質氯化鈉則會被排斥。在加壓的情況下，被優先吸附的水分子通過膜，實現了脫鹽過程。
這個理論還提出了混合物分離和滲透性的臨界孔徑概念，即選擇性吸附界面水層厚度的兩倍。這意味著膜的表面必須具備相應大小的毛細孔。基于該理論，索里拉金等人成功開發了高脫鹽率和高透水性的實用逆滲透膜，為逆滲透膜技術的實際應用奠定了基礎。
溶解擴散理論
根據朗斯代爾（Lonsdale）和賴利（Riley）等人的溶解擴散理論，逆滲透中的膜透過現象可以被解釋為溶劑和溶質在膜中溶解并在化學位差的推動下從一側擴散到另一側，直至透過膜。這個理論假設膜是無缺陷的“完整膜”，而溶質和溶劑的擴散遵循菲克定律。根據這個模型，溶質和溶劑可能溶解于均質或非多孔型膜表面，并以化學位差（通常用濃度差或壓力差表示）為推動力，使它們從膜中傳遞到膜的另一側。因此，物質的滲透能力不僅取決于擴散系數，還取決于其在膜中的溶解度。溶質的擴散系數比水分子的擴散系數小得越多，那么在高壓下，水在膜內的移動速度就越快，導致透過膜的水分子數量比通過擴散而透過去的溶質數量更多。
據目前普遍認可，溶解擴散理論被廣泛用于解釋膜透過現象。此外，氫鍵理論、優先吸附毛細孔滲理論等也可以解釋逆滲透膜的透過機理。一些學者提出了擴散-細孔滲理論、結合水-空穴有序理論以及自由體積理論等。
工藝流程
工作原理
逆滲透是一種通過半透膜將溶質從高濃度溶液逆向驅動到低濃度溶液的分離過程。在逆滲透工藝流程中，預處理和膜分離是兩個主要的步驟。
預處理
預處理階段的目標是通過一系列方法去除原水中的懸浮物、膠體、生物污染物、溶解氣體和大部分有機物等雜質，以減輕后續膜處理過程的負擔，并延長膜的使用壽命。預處理方法通常包括物理處理、化學處理和光化學處理等。
物理處理
沉淀：通過加入絮凝劑促進懸浮物在水中的沉淀，從而實現污染物的去除。
過濾：使用不同孔徑的過濾介質，如砂濾、活性炭濾等，將雜質截留下來，有效去除懸浮物和一部分溶解物。
吸附：利用吸附劑吸附水中的有機物和某些離子，如活性炭吸附劑對有機物的去除效果較好。
熱處理：通過加熱原水，利用溫度的變化去除一些溶解氣體。
化學處理
化學處理方法主要包括氧化、還原和pH調節等。
氧化：通過添加氧化劑將污染物氧化成易于去除的物質，常用的氧化劑有氯、臭氧和過氧化氫等。
還原：通過添加還原劑將污染物還原成易于去除的形式，常用的還原劑有亞硫酸鹽和亞硝酸鹽等。
pH調節：通過改變水的酸堿性來影響污染物的溶解度和沉淀性，從而達到去除的目的。
膜分離
膜分離是逆滲透流程的核心步驟，通過逆滲透膜將水中的溶質分離出來。逆滲透膜是一種具有高選擇性的半透膜，它能夠阻止大部分溶質通過，只允許水分子通過膜的孔隙，從而實現水的脫鹽和濃縮。
在膜分離過程中，常見的組件包括逆滲透膜模塊、加壓泵、脫鹽率監測設備、濃水排放系統和濃水回收系統等。逆滲透膜模塊是由多個逆滲透膜組成的裝置，水經過逆滲透膜時被分為兩部分：通過膜的純水通道和被截留的濃水通道。加壓泵提供足夠的壓力將水推動通過逆滲透膜，使純水通過膜孔隙，而溶質則被截留在膜的一側。脫鹽率監測設備用于監測膜分離過程中的脫鹽效果，確保所得到的水質符合要求。濃水排放系統用于處理被截留的濃水，使其排放或回收利用，以減少廢水排放。濃水回收系統則將部分濃水經過處理后回收，提高水資源利用率。
除了預處理和膜分離外，逆滲透流程中還可能包括其他凈水流程，例如砂濾、活性炭吸附、反滲透預處理等，這些步驟根據具體情況和水質要求進行選擇和組合，以提高整體的水處理效果和膜的使用壽命。
常見分類
按膜材料化學成分
逆滲透按膜材料的化學組成可以分為纖維素膜逆滲透和非纖維素膜逆滲透。
纖維素膜逆滲透
纖維素膜逆滲透是一類以纖維素為基礎的膜材料，包括纖維素食用醋酸纖維膜（CA）和纖維素三醋酸膜（CTA）。纖維素膜逆滲透的主要特點之一是其良好的水通透性。這意味著水分子可以相對容易地通過膜的孔徑，實現水的分離和純化。這種特性使得纖維素膜逆滲透在處理高鹽水源，如海水淡化時非常有效。此外，纖維素膜逆滲透還具有較高的鹽截留性能，可以有效去除水中的鹽分和溶解性離子。這使得纖維素膜逆滲透適用于處理中等鹽濃度的水源，如海水淡化和地表水處理。纖維素膜逆滲透材料在化學穩定性方面也表現出色，能夠耐受一定程度的化學腐蝕和污染。這使得纖維素膜逆滲透在處理含有一定濃度物質的水源時具有一定的優勢。
非纖維素膜逆滲透
非纖維素膜逆滲透是一類不以纖維素為基礎的膜材料，常見的包括聚醚酮（PEEK）、pes（PES）和聚醚醚酮（PEEK）等。這些膜材料具有一些特殊的特點和優勢，在水處理領域得到廣泛應用。首先，非纖維素膜逆滲透材料具有較高的耐化學性和機械強度。它們能夠耐受一定程度的化學腐蝕和壓力，具備較長的使用壽命。這使得非纖維素膜逆滲透在處理各種水源時表現出良好的穩定性。此外，非纖維素膜逆滲透材料也具有良好的透水性能。它們能夠相對容易地讓水分子通過膜孔徑，實現水的分離和純化。
按膜孔徑大小
逆滲透可以根據膜孔徑大小進行分類，通常分為納濾膜逆滲透和超濾膜逆滲透。
納濾膜逆滲透
納濾逆滲透（Nanofiltration Reverse Osmosis）是一種利用有機高分子化合物聚合物膜進行分離的技術。這種膜具有特定的孔徑范圍，通常在0.1納米到1納米之間，介于超濾膜和反滲透膜之間。納濾膜逆滲透通過分子級別的選擇性過濾，可以有效去除水中的離子、有機化合物和大部分微生物，同時保留水分子和一些小分子溶質。
超濾膜逆滲透
超濾逆滲透（Ultrafiltration Reverse Osmosis）也是一種膜分離技術，使用的是孔徑較大的膜。超濾膜的孔徑通常在0.01微米到0.1微米之間，比納濾膜略小。它可以有效去除水中的膠體、大分子有機物、細菌和病毒等物質，同時保留水分子和一些小分子溶質。
按組合方式
逆滲透法作為一種分離、濃縮和提純方法，其流程是根據逆滲透的設計依據確定的。常見的流程形式包括一級一段、一級多段、兩級一段、多級循環等幾種形式。
一級一段法
這種方法中，料液進入膜組件后，濃縮和產水被連續引出，但水的回收率相對較低，因此在工業應用中使用較少。另一種形式是一級一段循環式工藝，其中一部分濃水被返回至料液槽，從而使濃縮液的濃度不斷提高，雖然產水量較大，但產水的水質會下降。
一級多段法
當采用逆滲透作為濃縮過程時，如果一次濃縮無法滿足要求，可以采用多步濃縮的方式。這種方式通過多次逆滲透操作，使濃縮液的體積減小，濃度提高，從而相應增加產水量。
兩級一段法
當一級逆滲透無法滿足要求時，可以采取分為兩步進行的方法。如果膜的除鹽率較低而水的滲透性較高，那么采用兩級逆滲透比較經濟。同時，在低壓低濃度下運行時，可以提高膜的使用壽命。
多級循環
在這種流程中，將第一級逆滲透液作為第二級料液，第二級透液再作為下一級料液，通過幾個級別的循環淡化，可以生產出較為純凈的淡水。在選擇這種流程時，需要考慮裝置的整體壽命、設備費用、維護管理和技術可靠性。例如，如果需要將高壓的一級流程改為兩級，就有可能在低壓下運行，這對膜、裝置、密封和水泵等方面都有益處。
關鍵技術
逆滲透技術的關鍵在于滲透膜的組合和安裝方式，它決定了逆滲透過程中的膜通量、脫鹽率和透鹽率等。在逆滲透技術中，有幾種常見的滲透膜組合方式，包括板框式、管式、尾旋卷式和中空纖維式。
板框式裝置
板框式逆滲透裝置類似于板框壓濾機。該裝置由多塊圓形多孔透水板疊放而成，透水板的兩面覆蓋有逆滲透膜，而透水板外環則通過膠黏劑與膜進行密封。裝置的外環由“O”形密封圈提供支撐，形成一個壓力容器。高壓水從上至下通過每塊透水板，而凈化水從每塊透水板引出。但是板框式逆滲透裝置也存在一些缺點，該裝置的液流狀態相對較差，容易導致濃差極化現象，從而影響逆滲透效果。此外，板框式逆滲透裝置相對于其他類型的逆滲透裝置而言，設備費用較高。
管式裝置
管式逆滲透裝置是一種將膜和支撐物制成管狀，并按一定方式連接成一體的裝置。它可以分為單管式和管束式、內壓型和外壓型等形式。裝置中的管徑一般為0.6~2.5厘米，常用材料包括多孔性玻璃鋼環氧膠增強管、多孔陶瓷管、鉆有小孔眼或具有水收集溝槽的增強塑料管以及不銹鋼管等。
管式裝置水力條件好的優點，適當調節水流狀態可防止濃差極化和膜污染，能夠處理含懸浮固體的溶液，但單位體積中膜面積小，制造和安裝費用較高。
螺旋卷式裝置
螺旋卷式裝置的膜組件是在兩層膜中間夾一層多孔的柔性支撐網，并將它們的三邊黏合密封起來。再在下面鋪設一層供廢水通過的多孔透水格網，然后將另一開放邊與一根多孔集水管密封連接，使進水與凈化水完全隔開。最后以集水管為軸將膜葉螺旋卷緊而成。將幾個膜組件串聯起來，裝入圓筒形耐壓容器中，便組成了螺旋卷式逆滲透裝置。這種裝置具有膜堆密度大，結構緊湊的優點，但密封較困難，容易堵塞，且清洗不方便。
中空纖維式裝置
中空纖維膜是一種細如頭發的空心管，由制膜液進行空心紡絲而成。纖維的外徑為50~100μm，內徑為25~42μm。將數十萬根中空纖維膜捆成膜束，彎曲成“U”字形，并裝入耐壓圓筒容器中。同時，將纖維膜的開口端固定在環氧樹脂管板上，就可以組成逆滲透器。原水以高壓通入纖維膜的外側，而凈化水則從纖維管中引出。這種裝置的中空纖維密度很高，不需要膜支撐材料，濃差極化可以忽略不計。然而，該裝置的制作工藝技術較為復雜，容易發生堵塞，并且清洗不太方便。
技術參數
滲透壓
當溶液與純溶劑被分隔在半透膜兩側時，由于溶質在溶液中存在，會導致溶液的滲透性與純溶劑不同。溶液在通過半透膜時，需要施加足夠的壓力使得溶劑能夠逆著自然滲透的方向通過膜，這個壓力就是滲透壓。
根據滲透平衡的基本熱力學理論，溶液的滲透壓和溶劑（水）的活度的關系式為：
式中，T——體系開爾文，K；
——氣體常數，J/（mol·K）；
——水的活度系數；
——水的摩爾分數；
——與水溶液相平衡水的蒸氣壓，MPa；
——純溶劑水的蒸汽壓，MPa。
上式表明，滲透壓與溶液的性質有關，根據溶液的滲透壓可以計算逆滲透所需的壓力。舉例來說，對于海水逆滲透系統而言，通常需要施加的壓力是平衡滲透壓的4到20倍。這意味著逆滲透系統需要施加足夠大的壓力，以克服海水的滲透壓，使得水分子逆向通過半透膜，從而實現海水的凈化和淡化。
脫鹽率、透鹽率
在逆滲透技術中，脫鹽率是用于評估逆滲透系統去除水中溶解性離子的效果的重要參數。它表示逆滲透系統能夠從進水中去除的溶解性離子的百分比。
脫鹽率是通過比較進水（原水）中的離子濃度與產水（凈水）中離子濃度之間的差異來計算的。一般情況下，脫鹽率越高，系統去除離子的效果越好，產生的水質越純凈。逆滲透系統利用半透膜過濾原理，通過施加一定的壓力使水分子通過半透膜，而離子、溶解物質、細菌和病毒等較大分子則被滯留在膜的另一側。這樣，逆滲透系統可以有效地去除水中的鹽類、重金屬、有機化合物等溶解性離子。
脫鹽率的計算公式為：
脫鹽率（%）= （進水中離子濃度 - 產水中離子濃度）/ 進水中離子濃度 × 100%
透鹽率表示逆滲透系統能夠從進水中去除的鹽類的百分比。透鹽率是通過比較進水（原水）中的鹽類濃度與產水（凈水）中鹽類濃度之間的差異來計算的。
透鹽率的計算公式為：
透鹽率（%）= （進水中鹽類濃度 - 產水中鹽類濃度）/ 進水中鹽類濃度 × 100%
逆滲透系統的脫鹽率和透鹽率可以根據具體的應用需求和操作參數進行調節和優化。進水水質、逆滲透膜的選擇和性能、操作壓力以及水溫等因素都會對脫鹽率產生影響。進水中的溶解性離子濃度、懸浮物含量和有機物質含量會直接影響脫鹽率和透鹽率，高濃度的溶解性離子或有機物質可能降低脫鹽效果。操作壓力需要適中，過高或過低的壓力都可能影響脫鹽率，因為過高的壓力可能導致膜的破損或過度堵塞，而過低的壓力可能無法有效推動水分子通過膜孔。在實際應用中，根據具體需求進行調節和優化，并維護和保養逆滲透系統的設備和膜元件，可以確保脫鹽率的穩定和高效。
膜通量
逆滲透中的膜通量是評估逆滲透系統處理水的能力的重要參數之一。它表示單位時間內通過逆滲透膜的水流量，通常以每平方米膜面積每小時處理的水量（LMH）來衡量。
膜通量的計算公式如下：
膜通量 = 產水流量 / 膜面積
逆滲透系統中的膜通量受到多個因素的影響。首先，逆滲透膜的選擇和性能對膜通量有重要影響。高通量的逆滲透膜具有更高的水通透性，能夠處理更大量的水。其次，操作壓力也是影響膜通量的關鍵因素。適當的操作壓力可以促進水分子通過膜孔，提高膜通量。然而，過高的壓力可能導致膜的破損或過度堵塞，降低膜通量。
應用領域
逆滲透法在水處理領域具有廣泛的應用，可用于海水淡化、苦咸水淡化、超純水制備、城市供水處理、城市污水處理和利用，以及工業廢水處理等方面。特別適用于工業廢水處理，如電鍍廢水、造紙廠廢水和化工廢水的處理和凈化等。
海水淡化
逆滲透技術通過使用透析膜將海水中的鹽分和雜質去除，以產生淡水。2000年，在中國科技部重點科技攻關項目“日產汽車公司千噸級反滲透海水淡化系統及工程技術開發”的支持下，先后在山東長島和嵊泗縣建成了10000t/d級的逆滲透海水淡化示范工程。該技術在海水淡化領域的應用已被廣泛采納，并取得了國際先進水平的各項技術經濟指標。
純水、超純水制備
純水和超純水是現代工業中非常重要的原材料，在半導體、微電子、電力、化工、醫藥等領域得到廣泛應用。自20世紀80年代以來，中國在純水和超純水制備系統中采用以逆滲透和離子交換為主導的工藝。相比于單一的離子交換工藝，逆滲透-離子交換工藝的造水成本約下降30%，酸堿消耗量節省約90%，并且樹脂再生周期造水量提高約20倍。逆滲透膜法分離技術在純水和超純水制備中的先進性、經濟效益和環境保護的社會效益已經在大量逆滲透工程的實際運行中得到證實。目前，逆滲透膜工藝在純水和超純水制備系統中的市場占有率已經超過95%。
廢水資源化
廢水資源化是中面臨的重要問題。僅在中國，每年廢水和污水排放量以18×10^8t的速度增加，工業廢水和生活污水每天的排放量接近1.64×10^8t，其中大約80%未經處理直接排入水域。廢水資源化的實施可以實現開發淡水資源和保護環境的雙重目標。廢水處理和海水淡化在裝置和工藝技術上存在一定的相似性。逆滲透技術是廢水處理中常用的一種方法，通過逆滲透膜可以去除廢液中的銅、鉛、汞、、、鉻、銀、、鋅等離子，去除率可達90%—99%。
其他應用
在食品及飲料工業中，除了濃縮奶酪乳清、果汁飲料、蔬菜汁、槭樹汁、咖啡和糖溶液之外，它還被用于許多其他食品和飲料的生產過程中。在乳制品行業中，逆滲透技術常被用于濃縮牛奶、酸奶和乳清蛋白，以去除多余的水分，增加產品的濃度和口感。在果汁和蔬菜汁的生產中，逆滲透膜被用于濃縮果汁，去除水分并保留果汁中的營養成分，從而增加產品的口感和濃度。逆滲透還被廣泛應用于果葡糖漿和糖溶液的生產中。通過逆滲透膜的過濾作用，可以將糖溶液中的水分去除，從而得到高濃度的糖漿，用于制作糖果、餅干和其他糕點產品。
逆滲透膜的污染與清洗
污染原因
在逆滲透運行中，膜污染是常見的故障之一。當污染輕微時，對膜性能和操作沒有太大影響；然而，如果污染嚴重，不僅會降低膜性能，還會極大地影響膜的使用壽命。導致膜污染的原因大致可以分為三類：
清洗方法
逆滲透污染膜的清洗方法包括物理清洗法和化學清洗法。
物理清洗法
物理清洗法是使用淡水沖洗逆滲透膜面的方法，也可以使用預處理后的原水代替淡水，或者使用空氣與淡水混合液進行沖洗。在0.3MPa的壓力下，沖洗膜面30分鐘，可以清除膜面上的污垢。對于管式逆滲透膜組件，可以使用直徑稍大于管徑的聚氨酯海綿瑞球來刷洗膜面，這樣可以有效去除膜面上的柔軟有機性污垢。
化學清洗法
化學清洗法是采用一定的化學清洗劑，在一定的壓力下進行一次沖洗或循環沖洗逆滲透膜面。常用的化學清洗劑包括硝酸、磷酸、檸檬酸、檸檬酸銨、鹽酸、氫氧化鈉和酶洗潔精等。化學清洗劑的酸度、堿度和沖洗溫度應控制在適當范圍內，以防對逆滲透膜造成損害。當清洗劑濃度較高時，沖洗時間可以較短；而濃度較低時，相應的沖洗時間會延長。
此外，還可以利用滲透作用來清洗逆滲透膜面。方法是將高濃度溶液，其滲透壓較高，浸泡在受污染的膜面上，使其與除鹽水的另一側表面接觸。由于水會向高濃度溶液一側滲透，這會導致侵入膜內細孔或吸附在膜表面的污染物變得更容易去除，從而改善后續采用的物理或化學清洗方法的效果。
發展趨勢
逆滲透技術的發展趨勢是一個持續不斷的改進和創新過程。逆滲透技術在多個方面取得了進展。逆滲透技術的發展趨勢可以分為以下幾個方面。
逆滲透膜性能再提高
通過改進膜材料和結構設計，逆滲透膜的通量和截留率得到了顯著提高，使得逆滲透技術在水處理領域更加高效和可行。例如，通過優化膜材料的孔徑和結構，改善了水分子的通過能力，從而提高了逆滲透膜的通量和截留率，使得逆滲透技術在水處理領域更加高效和可行。
技術應用領域再擴大
除了傳統的海水淡化，逆滲透技術也被廣泛應用于飲用水處理、廢水處理和工業用水處理等領域。逆滲透技術在解決淡水資源短缺和水污染等問題方面具有廣泛的應用前景。
新興技術融入應用
逆滲透技術的性能和效率不斷得到改進，其中前驅體反應法、納米孔膜和碳納米管膜等新型膜材料和技術發揮著重要的作用。前驅體反應法是一種制備逆滲透膜的方法，通過引入適當的反應物使膜材料在適當條件下發生反應并形成膜結構。這種方法能夠精確控制膜材料的孔隙度和結構，從而調節逆滲透膜的性能。
參考資料 >