反渗透技术与海水淡化-高效反渗透膜的基础

（一）渗透与反渗透

能够让溶液中的一种或几种组分通过而其他组分不能通过的这种选择性膜称为半透膜。当用半透膜隔开纯溶剂和溶液（或不同浓度的溶液）的时候，纯溶剂向溶液相（或从低浓度溶液向高浓度溶液）有一个自发的流动，这一现象称为渗透。渗透是一种溶剂（通常指水）通过一种半透膜进入一种溶液或是从一种稀溶液向一种比较浓的溶液的自然渗透。

反渗透是相对于渗透而言的。所谓反渗透是在浓溶液一边加上比自然渗透压更高的压力，改变自然渗透方向，把浓溶液中的溶剂（水）压到半渗透膜的另一边稀溶液中。这种和自然界正常渗透过程相反的过程，因而称为反渗透，如图3-16所示。

图3-16　渗透与反渗透

（a）初始状态；（b）渗透及渗透平衡；（c）反渗透状态

按施加压力的不同，可分成高压反渗透（5.6～10.5MPa，如海水淡化）、低压反渗透（1.4～4.2MPa，如苦咸水脱盐）、超低压反渗透（0.5～1.4MPa，如自来水脱盐）。由于各种物质的分子量、水溶液的浓度各不相同，所以其水溶液的渗透压也不完全一样。表3-4列出了一些典型水溶液的渗透压。

（二）反渗透的分离机理

反渗透的分离机理由于膜的性质不同和溶质性质不同而不同。关于反渗透的分离机理，20世纪50年代以来，随着用醋酸纤维素膜淡化盐水的研究的进展，先后提出了多种反渗透分离理论，各自不同程度地解释了部分反渗透膜的透过现象，主要有氢键理论、优先吸附—毛细孔流理论、溶解扩散理论。

表3-4　某些典型水溶液的渗透压(www.xing528.com)

注　1psi=6894.76Pa。

1.氢键理论

氢键理论由理德（Reid）等人提出，用醋酸纤维素膜加以解释。这种理论是基于一些离子和分子能够通过与膜的氢键的结合而发生联系，从而通过这些联系发生线形排列型的扩散来进行传递。在压力作用下，溶液中的水分子和醋酸纤维素的活化点——羰基上氧原子形成氢键，而原来水分子形成的氢键被断开，水分子解离出来并随之转移到下一个活化点，形成新的氢键，于是通过这一连串的氢键形成与断开，使水分子离开膜表面的致密活性层，而进入膜的多孔层，由于多孔层含有大量的毛细管水，水分子能畅通地流出膜外。

2.优先吸附—毛细孔流理论

索里拉金等人提出了优先吸附—毛细孔流理论。以NaCl水溶液为例，溶质是NaCl，溶剂是水，膜的表面能选择性吸水，因此水被优先吸附在膜表面上，而对溶质NaCl排斥。在压力作用下，优先吸附的水通过膜，就形成了脱盐过程。这种模型同时给出了混合物分离和渗透性的一种临界孔径的概念。临界孔径是选择性吸着界面水层的两倍。基于这种模型在膜的表面必须有相应大小的毛细孔，根据这种理论，索里拉金等研制出具有高脱盐率、高透水性的实用反渗透膜，奠定了实用反渗透膜的发展基础。

3.溶解扩散理论

朗斯代尔和赖利等人提出溶解扩散理论。该理论假定膜是无缺陷的“完整的膜”，溶剂和溶质透过膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差的推动力下，从膜的一侧向另一侧进行扩散，直至透过膜。溶质和溶剂在膜中的扩散服从菲克定律，这种模型认为溶质和溶剂都可能溶于均质或非多孔型膜表面，以化学位差为推动力（常用浓度差或压力差来表示），分子扩散使它们从膜中传递到膜下部。因此，物质的渗透能力不仅取决于扩散系数，而且取决于其在膜中的溶解度。溶质的扩散系数比水分子的扩散系数小很多，高压下水在膜内的移动速度就越快，因而透过膜的水分子数量就比通过扩散而透过去的溶质数量更多。

一般认为溶解扩散理论较好地说明了膜透过现象，当然氢键理论、优先吸附—毛细孔流理论也能够对反渗透膜的透过机理进行解释。此外，还有学者提出扩散—细孔流理论、结合水—空穴有序理论及自由体积理论等。总之，反渗透膜分离机理还在发展和继续完善之中。