反滲透膜及其應(yīng)用

楊文秀，崔淑玲

(河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018 )

1 前言

反滲透膜一般用高分子材料制成，如醋酸纖維素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。膜表面微孔的直徑一般在0.5～10 nm之間。以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力而實(shí)現(xiàn)對液體混合物分離的選擇性分離膜，其操作壓力一般為1.5～10.5 MPa，反滲透膜只能通過溶劑(通常是水)而截留離子或小分子物質(zhì)。透過性的大小與膜本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)前使用的膜材料主要為醋酸纖維素和芳香聚酰胺類。其組件有中空纖維式、卷式、板框式和管式?？捎糜诜蛛x、濃縮、純化等化工單元操作。

2 反滲透膜

2.1 反滲透膜類型

根據(jù)反滲透膜具備的性能及其影響因素，目前較常用的膜類型有：

(1) 醋酸纖維膜(CA膜)

CA膜又可以分為平膜、管式膜和中空纖維膜幾類。CA膜具有反滲透膜所需的三個(gè)基本性質(zhì)：高透水性、對大多數(shù)水溶性組分的滲透性相當(dāng)?shù)?、具有良好的成膜性能?/p>

(2)聚酰胺膜( PA膜)

聚酰胺膜又可以分為脂肪族聚酰胺膜、芳香聚酰胺膜(成膜材料為芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物)。

(3)復(fù)合膜

這是近年來開發(fā)的一種新型反滲透膜，它是由很薄且致密的符合層與高空隙率的基膜復(fù)合而成的，它的膜通量在相同的條件下比非對稱膜高約50%～100%[1]。

2.2 反滲透膜原理

反滲透是滲透的逆過程，它主要是在壓力的推動(dòng)下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶劑與溶質(zhì)分開的膜分離過程[2]。目前，對反滲透機(jī)理有以下三種理論。

(1)氫鍵理論:該理論基于一些離子和分子能通過膜的氨鍵的結(jié)合而發(fā)生聯(lián)系，從而通過這些聯(lián)系發(fā)生線形排列型的擴(kuò)散來進(jìn)行傳遞。在壓力的作用下，溶液中的水分子和醋酸纖維素的活化點(diǎn)——羰基上氧原子形成氫鍵，而原來的水分子形成的氧鍵被斷開，水分子解離出來并隨之轉(zhuǎn)移到下一個(gè)活化點(diǎn)，并形成新的氨鍵。通過這一連串氫鍵的形成與斷開，使水分子離開膜表面的致密活化層，由于多孔層含有大量毛細(xì)管，所以水分子能暢通流出膜外。

(2)優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流理論：索里拉金等人提出了優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流理論。他們以氯化鈉水溶液為例，溶質(zhì)是氯化鈉，溶劑是水，膜表面能選擇性吸水，因此水被優(yōu)先吸附在膜表面上，而對氯化鈉排斥。在壓力作用下，優(yōu)先吸附的水通過膜，就形成了脫鹽的過程[3]。

(3)溶液擴(kuò)散理論: Lonsdale 和賴?yán)?Riley等人提出溶解擴(kuò)散理論。該理論假定膜是無缺陷的完整的膜，溶劑和溶質(zhì)透過膜的機(jī)理是由于溶劑與溶質(zhì)在膜中的溶解，然后在化學(xué)位差的推動(dòng)力下從膜的一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散，直至透過膜。溶劑和溶質(zhì)在膜中的擴(kuò)散服從Fick定律，這種模型認(rèn)為溶劑和溶質(zhì)都可能溶于均質(zhì)或非多孔型膜表面，以化學(xué)位差為推動(dòng)力(常用濃度差或壓力差來表示)，分子擴(kuò)散使它們從膜中傳遞到膜下部。因此，物質(zhì)的滲透能力不僅取決于擴(kuò)散系數(shù)，而且取決于其在膜中的溶解度。溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)比水分子的擴(kuò)散系數(shù)小得越多，高壓下水在膜內(nèi)的移動(dòng)速度就越快，因而透過膜的水分子數(shù)量就比通過擴(kuò)散而透過去的溶質(zhì)數(shù)量更多[4]。

2.3 反滲透技術(shù)特點(diǎn)

反滲透膜分離技術(shù)是利用反滲透膜原理進(jìn)行分離，具體特點(diǎn)如下：

(1) 在常溫不發(fā)生相變的條件下，可以對溶質(zhì)和水進(jìn)行分離，適用于對熱敏感物質(zhì)的分離、濃縮，并且與有相變化的分離方法相比，能耗較低。

(2)反滲透膜分離技術(shù)雜質(zhì)去除范圍廣。

(3)較高的脫鹽率和水回用率，可截留粒徑幾個(gè)納米以上的溶質(zhì)。

(4)利用低壓作為膜分離動(dòng)力，因此分離裝置簡單，操作、維護(hù)和自控簡便，現(xiàn)場安全衛(wèi)生[5]。

3 應(yīng) 用

3.1 純水和超純水的制備

純水和超純水是現(xiàn)代工業(yè)中一種十分重要的原材料，已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體微電子、電力、化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前，利用反滲透膜技術(shù)生產(chǎn)超純水的工藝已經(jīng)很成熟，反滲透膜能夠有效地降低水的電導(dǎo)率和其中總?cè)芙庑怨腆w的含量，對大部分鹽類成分的截留率超過95%，并且水通量大[6]。雖然也出現(xiàn)了膜污染問題，但是通過化學(xué)清洗的方法可以有效地解決。在純水和超純水的制備中，主要應(yīng)用醋酸纖維膜。

3.2 食品工業(yè)

反滲透膜在食品工業(yè)中主要應(yīng)用于牛奶加工、果汁加工及酒的加工等。反滲透還可應(yīng)用于釀酒過程，制備低酒精度產(chǎn)品。與限制發(fā)酵、蒸餾脫醇等方法相比，反滲透法能克服發(fā)酵產(chǎn)品中殘?zhí)歉?、蒸餾法有蒸煮味等風(fēng)味缺陷，得到高品質(zhì)的無醇啤酒，且投資和運(yùn)行等費(fèi)用也不高。馮凌蕾等運(yùn)用反滲透法對普通啤酒進(jìn)行脫醇后，酒精度達(dá)到0.5%(體積分?jǐn)?shù))以下，除含酒精量較低外，仍具有普通啤酒的色、香、味，滿足無醇啤酒的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3.3 醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用

高分子分離膜在醫(yī)療衛(wèi)生上的應(yīng)用非常廣泛。從醫(yī)藥用純水的制備和蛋白質(zhì)酶、疫苗的分離、精制及濃縮到人工肝、人工肺、人工腎等人工臟器都是以高分子膜作為分離過程的核心組件。聚丙烯腈是少數(shù)已臨床使用的合成高分子膜之一，同再生纖維素膜相比，聚丙烯腈膜對中等分子質(zhì)量物質(zhì)的去除能力強(qiáng)，超濾速率是前者的數(shù)倍。日本的Asahi醫(yī)學(xué)公司首先將聚丙烯腈膜中空纖維化，并用于血液透析和血液透析過濾，并通過了臨床應(yīng)用[8]。

3.4 化工工藝的濃縮、分離、提純中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)作為新的分離凈化和濃縮方法，與傳統(tǒng)分離操作(如蒸發(fā)、萃取、沉淀、混凝和離子交換樹脂等)相比較，過程中大多無相變化，可以在常溫下操作，具有能耗低、效率高、工藝簡單、投資小等特點(diǎn)。因此反滲透膜廣泛應(yīng)用在化工工藝的濃縮、分離、提純中。杭州沃騰公司通過多年服務(wù)于植物提取的經(jīng)驗(yàn)，成功設(shè)計(jì)生產(chǎn)出可以實(shí)現(xiàn)微濾澄清和超濾除蛋白、鞣質(zhì)和脫色效果的膜[9]，并解決了膜污染堵塞難題，膜透過水可以回收利用到前提取工序，減輕環(huán)保壓力。

3.5 鍋爐補(bǔ)給水的除鹽軟化

國內(nèi)目前應(yīng)用反滲透裝置進(jìn)行水處理的電廠已有幾十個(gè),并且隨著反滲透設(shè)備投資費(fèi)用的降低,以及反滲透低壓膜、超低壓膜的使用,反滲透的投資成本和運(yùn)行成本都有所降低,其應(yīng)用也就越來越廣。山西大同某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目裝機(jī)容量 2×135 MW的火電抽凝機(jī)組,高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐,鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用了預(yù)處理 ( 機(jī)械過濾+ 超濾) + 兩級反滲透+ 電除鹽工藝。系統(tǒng)總出水2×34 m3/ h[10]。反滲透膜采用東麗公司的 TM720-400 型抗污染高脫鹽率低壓復(fù)合膜。系統(tǒng)水回收率大于75%,脫鹽率大于97% (3年內(nèi))[11]。

3.6 海水和苦咸水淡化

從海水淡化的技術(shù)種類來說，目前主要還是蒸餾法和反滲透法兩大主流技術(shù)，其中反滲透海水淡化技術(shù)具有設(shè)備投資省、能量消耗低、建造周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)[12]。目前，反滲透海水淡化系統(tǒng)的單位能耗已經(jīng)降至3 kWh/m3淡水以下。苦咸水一般指鹽的質(zhì)量濃度為1 000～15 000 mg/L的天然水、地面水和自流井水，由于含鹽量高，不能直接應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的生活飲用水，必須進(jìn)行淡化處理，才能加以利用。

3.7 造紙、電鍍、印染等行業(yè)用水

反滲透膜在造紙、印染、電鍍廢水回用中的應(yīng)用，一方面可以回收利用原料，大大降低生產(chǎn)成本；另一方面可以實(shí)現(xiàn)廢水零排放或者微排放，具有很好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，使印染企業(yè)在減少廢水排放量的同時(shí)又節(jié)約了自來水等新鮮水的用量，提高用水水質(zhì)，可以減少產(chǎn)品的次品率，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。德國一些造紙工廠,采用傳統(tǒng)的好氧生物處理、下流式砂子過濾,再通過表面積為15 000 m2聚磺化醚薄膜處理,可得到90%的凈化水,COD、AOX 和染料去除率分別為89%、61%和93%,處理后的廢水可以再利用[13]。

3.8 廢水處理

廢水資源化具有開發(fā)淡水資源與保護(hù)環(huán)境雙重目的。除了脫鹽與純水的制備外，反滲透膜應(yīng)用最多的就是在廢水處理領(lǐng)域，而且絕大多數(shù)是對廢水的深度處理，所以往往還要結(jié)合其他的預(yù)處理工藝。此外，反滲透也開始應(yīng)用于水中微量無機(jī)污染物(主要包括一些重金屬離子)和有機(jī)污染物的去除，以及一些工業(yè)生產(chǎn)廢水的處理，例如制藥廢水、石油化工廢水、煉鋼廢水和印染廢水等領(lǐng)域[14]。

4 反滲透膜目前存在問題

目前，反滲透膜技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中或是在應(yīng)對膜污染問題時(shí)所產(chǎn)生的膜氧化仍是制約反滲透膜廣泛應(yīng)用的重要因素。另外，反滲透膜對一些具有特殊截留機(jī)理的離子的脫除效果還不理想(例如硼，一般去除率低于90%)，反滲透膜的截留性能仍有待提高，以提高膜分離效率[15]。

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