反渗透是60年代发展起来的一项新的膜分离技术,是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。反渗透的英文全名是"REVERSE OSMOSIS",缩写为"RO"。

RO(Reverse Osmosis)反渗透技术是利用渗透压力差为动力的膜分离过滤技术,源于美国二十世纪六十年代宇航科技的研究,后逐渐转化为民用,已广泛运用于科研、医药、食品、饮料、海水淡化等领域。

RO反渗透膜孔径小至纳米级(1纳米=10*-9米),在一定的压力下,水分子可以通过RO膜,而源水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过RO膜,从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。

1950年美国科学家DR.S.Sourirajan有一回无意发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水,隔了几秒后,吐出一小口的海水,而产生疑问,因为陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐份的海水的。经过解剖发现海鸥体内有一层薄膜,该薄膜非常精密,海水经由海鸥吸入体内后加压,再经由压力作用将水分子贯穿渗透过薄膜转化为淡水,而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外,此即往后反渗透法的基本理论架构,并在1953年由University of Florida应用于海水淡化去除盐份设备,在1960年经美国联邦政府专案资助美国U.C.L.A大学医学院教授Dr.S.Sidney Lode配合DR.S.Soirirajan博士着手研究反渗透膜,一年约投入四亿美元经费研究,以运用于太空人使用,使太空船不用运载大量的饮用水升空,直到1960年投入研究工作的学者、专家越来越多,使之质与量更加精进,从而解决了人类饮用水中的难题。

要了解反渗透,首先要了解"渗透"的概念。

渗透是一种物理现象。当两种含有不同盐类的水,如用一张半渗透性的薄膜分开就会发现,含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的水中,而所含的盐分并不渗透,这样,逐渐把两边的含盐浓度融合到均等为止,这一过程称为渗透。然而,要完成这一过程需要很长时间。但如果在含盐量高的水侧,施加一个压力,其结果也可以使上述渗透停止,这时的压力称为渗透压力。如果压力再加大,可以使方向向反方向渗透,而盐分剩下。因此,反渗透除盐原理,就是在有盐分的水中(如原水),施以比自然渗透压力更大的压力,使渗透向相反方向进行,把原水中的水分子压力到膜的另一边,变成洁净的水,从而达到除去水中杂质、盐分的目的。

反渗透又称逆渗透,一种以压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力,当压力超过它的渗透压时,溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂,即渗透液;高压侧得到浓缩的溶液,即浓缩液。若用反渗透处理海水,在膜的低压侧得到淡水,在高压侧得到卤水。

反渗透时,溶剂的渗透速率即液流能量N为:N=Kh(Δp-Δπ) (式中Kh为水力渗透系数,随温度升高稍有增大;Δp为膜两侧的静压差;Δπ为膜两侧溶液的渗透压差)。稀溶液的渗透压π为:π=iCRT(式中i为溶质分子电离生成的离子数;C为溶质的摩尔浓度;R为摩尔气体常数;T为绝对温度。)

反渗透通常使用非对称膜和复合膜,所用的设备主要是中空纤维式或卷式的膜分离设备。反渗透膜能截留水中的各种无机离子、胶体物质和大分子 溶质,从而取得净制的水。也可用于大分子有机物溶液的预浓缩。由于反渗透过程简单,能耗低,近20年来得到迅速发展。现已大规模应用于海水和苦咸水(见卤水)淡化、锅炉用水软化和废水处理,并与离子交换结合制取高纯水,其应用范围正在扩大,已开始用于乳品、果汁的浓缩以及生化和生物制剂的分离和浓缩方面。

反渗透机理模型有几个经典模型

1、先吸附毛细孔模型:弱点干态电镜下,没发现孔。湿态膜标本不是电镜的样品。由Sourirajan提出。

2、溶解扩散模型:不认为有孔。

3、干闭湿开模型:上个世纪80,90年代,邓宇等提出的,能够解释1和2模型的统一的现代最贴切的逆渗透机理模型。既"干闭湿开"反渗透模型,统一了两个最经典的反渗透机制模型,细孔模型,溶解扩散模型。即

膜干时,膜收缩致密,孔隙闭合,电镜下看不到;

膜湿时,膜材料溶胀,膜的孔隙被溶剂溶胀,孔打开。合并就是"干闭湿开"脱盐模型。

参考资料:海水淡化技术:非加压吸附渗透海水淡化法。上个世纪90年代邓宇的发明,《美国化学文摘》收录。

RO膜的孔径是头发丝的一百万分之五(0.0001微米),也就是1×10^-10m,而水分子的直径是4×10^-10m ,试问水分子如何透过?

RO (干)膜的孔径=1×10^-10m,应该是"干膜"的孔径。膜分子结构是有弹性的,当"干RO膜"被水溶胀后,其"湿膜"的孔径>≥1×10^-10m,达到水分子的4×10^-10m是容易的,况且水分子也不是死硬的,是柔性的,正好似"柔情似水"。

为了提高清洗效果,清洗前需要对膜污染的状况进行分析,确定污染物的种类,根据反渗透膜污染、结垢的具体情况,选择有针对性的清洗剂进行清洗。

一、分析途径

1、分析系统运行数据。

2、分析给水中潜在的污染、结垢成分。

3、分析SDI仪的膜过滤器收集的污染物。

4、分析滤芯过滤器的污染物。

5、检查管道内表面和膜元件两端的状况。

6、必要时剖开膜元件进行分析,查找污染、结垢成分。

二、分析方法

RO膜污染严重时,可通过染色试验、显微镜分析、傅立叶变换红外线光谱(FTIR)分析、扫描电子显微镜(SEM)分析、能源频射X光线(EDX)分析等查找原因判断故障位置。实际应用中常采用以下简便易行的分析方法。

目测

在确定系统已经发生污染,需要实施化学清洗时,最好先打开压力容器端板,直接观察污染物在压力容器端板与膜元件之间的间隙内累积的情况。一般根据直接观察即可基本确定污染物的类型,从而确定相应的清洗方案。

①前段污染观察

预处理滤料(石英砂、活性炭)泄漏、胶体污染、有机物污染和生物污染时,前端最严重,可以从前端膜元件入口观察到颗粒物及粘液状污染;发生生物污染时会发现腥臭味粘液物质,灼烧刮取的生物粘泥(粘膜),会有蛋白质的焦臭气味。

②末端污染观察

无机盐结垢在系统末端最为严重,在末端膜元件端头处可以摸到粗糙的粉状物。用盐酸(pH3~4)溶解时有气体冒出,说明沉淀物极可能是CaCO3。硫酸盐垢、硅垢在pH很低时也很难溶解。如果垢在0.1mol/LHF溶液中是可溶的,则可能是硅垢。

RO膜,是Reverse Osmosis membrane 的缩写,中文意思是:逆渗透或者反渗透,渗透是水的一种物理现象。由于水存在浓度的差异,而水的渗透方式是由低浓度流向高浓度,反渗透,顾名思义即水一旦加压之后,将由高浓度流向低浓度,亦即所谓逆渗透原理。

逆渗透净水机就是在高浓度水的一边加压,使水份从高浓度穿过RO膜迫往低浓度的一边,从而达到把水净化的目的。由于RO膜的孔径是头发丝的一百万分之五( 0.0001 微米) , 一般肉眼无法看到,细菌、病毒是它的5000倍,因此,只有水分子及部分有益人体的矿物离子能够通过,其它杂质及重金属均由废水管排出,所有海水淡化的过程,以及太空人废水回收处理均采用此方法,因此 RO 膜又称体外的高科技人工肾脏。

RO膜民用方面最多是用于纯水机方面,作为纯水机净化的过滤装置之一,在自来水到净水的过滤中起了最核心的作用。RO膜能够有效的去除水中钙、镁、细菌、有机物、无机物、金属离子和放射性物质等,经过该装置净化出的水晶莹清澈、甜美甘醇。该装置适用于家庭和宾馆、酒店、医院等企事业单位饮用净水使用。

清洗RO膜元件的一般步骤:

一、用泵将干净、无游离氯的反渗透产品水从清洗箱(或相应水源)打入压力容器中并排放几分钟。

二、用干净的产品水在清洗箱中配制清洗液(不同的膜需不同的清洗液)。

三、将清洗液在压力容器中循环1小时或预先设定的时间。

四、清洗完成以后,排净清洗箱并进行冲洗,然后向清洗箱中充满干净的产品水以备下一步冲洗。

五、用泵将干净、无游离氯的产品水从清洗箱(或相应水源)打入压力容器中并排放几分钟。

六、在冲洗反渗透系统后,在产品水排放阀打开状态下运行反渗透系统,直到产品水清洁、无泡沫或无清洗剂(通常15~30分钟)。

反渗透纯净水设备膜元件在装入压力容器前,不要打开密封包装,在阴凉干燥处存放,避免阳光直射。

不可受冻结冰。

ge纯水机在安装膜元件前,应保证系统已经完成清洁工作。

膜元件在装入系统时,要适当润滑o型圈和浓水密封圈,可使用硅基胶或50%甘油水溶液,禁止使

用油、油脂、凡士林或石油类化合物。

在将膜元件逐一装入压力容器时,在压力容器端板处通过加入垫圈的方法消除间隙,以防止在系统

启动和停机时膜元件在压力容器中蹿动,同时可降低膜元件外连接处渗漏的可能性。

新系统在安装膜元件后要进行彻底冲洗,将系统中残留的杂质、溶剂和保护液完全清洗干净。

产水用于饮用时,需至少冲洗24小时。

系统的启动与运行

在系统启动之前,浓水阀门应保持完全开启。系统启动后可逐渐缓慢关闭浓水阀门,使系统达到设定的回收率。浓水阀关闭时严禁启动设备。

在系统运行期间,任何时候(包括系统的预启动、常规操作、冲洗及化学清洗)都不可关闭产水管路上的阀门。

在高压运行之前,通过软启动机构或变频调速进行低压冲洗以排出空气。

保证给水浊度<1.0 NTU或SDI15<5,给水温度<45℃,进水中不含可能对膜造成物理及化学损伤的有害物质。

任何时候膜元件进水中的余氯含量不得超过0.05mg/L,否则将会导致膜元件不可恢复的氧化损坏。

在正常运行一段时间后,膜元件会受到给水中可能存在的悬浮物或难溶物的污染。在标准条件下系统性能下降10%,或显然发生结垢或污堵时,应及时进行清洗。定期地进行水冲洗和化学加药清洗可恢复膜元件的性能,延长膜元件的使用寿命。

系统在短期停止运行期间,应每隔5天冲洗系统,冲洗后关闭阀门防止结垢堵塞。

系统长期停运(30天以上),添加1%亚硫酸氢钠溶液,以防止细菌繁殖。