反滲透法

反滲透法通常又稱超過濾法，該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側，從而使海水一側的液麪逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側施加一大於海水滲透壓的外壓，那麼海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優點是節能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。因此，從1974年起，美日等發達國家先後把發展重心轉向反滲透法。

對反滲透膜脱鹽機理解釋很多，較公認的機理主要有：

（1）氫鍵理論：氫鍵理論最早是由雷德（Reid）等提出的。也叫孔穴式與有序式擴散(hole type-alignment type diffusion)理論，是針對乙酸纖維膜提出的模型。此模型表現出當水進入乙酸纖維膜的非結晶部分後，和羧基的氧原子發生氫鍵作用而構成結合水。這種結合水的結合強度取決於膜內的孔徑，孔徑越小結合越牢。由於牢固的結合水把孔佔滿，故不與乙酸纖維膜以氫鍵結合的溶質就不能擴散透過，但與膜能進行氫鍵結合的離子和分子(如水、酸等)卻能穿過結合水層而有序擴散通過。

（2）優先吸附-毛細孔流理論：該理論是索里拉金(Sourirajan)在Gibbs吸附方程的基礎上提出的，他認為在鹽水溶液和聚合物多孔膜接觸的情況下，膜界面上有優先吸附水而排斥鹽的性質，因而形成一負吸附層，它是一層已被脱鹽的純水層，純水的輸送可通過膜中的小孔來進行。純水層厚度既與溶液的性質(如溶質的種類、溶液的濃度等)有關，也與膜的表面化學性質有關。索里拉金認為孔徑必須等於或小於純水層厚度的二倍，才能達到完全脱鹽而連續地獲得純水，但在膜孔徑等於純水層厚度二倍時工作效率最高。根據膜的吸附作用有選擇性，可以推知膜對溶質的脱除應有選擇性。

反滲透方法可以從水中除去90 %以上的溶解性鹽類和99 %以上的膠體微生物及有機物等。尤其以風能、太陽能作動力的反滲透淨化苦鹹水裝置,是解決無電和常規能源短缺地區人們生活用水問題的既經濟又可靠的途徑。反滲透淡化法不僅適用於海水淡化,也適合於苦鹹水淡化。現有的淡化法中,反滲透淡化法是最經濟的,它甚至已經超過電滲析淡化法。由於反滲透過程的推動力是壓力,過程中沒有發生相變化,膜僅起着“篩分”的作用,因此反滲透分離過程所需能耗較低。在現有海水和苦鹹水淡化中,反滲透法是最節能的。反滲透膜分離的特點是它的“廣譜”分離,即它不但可以脱除水中的各種離子,而且可以脱除比離子大的微粒,如大部分的有機物、膠體、病毒、細菌、懸浮物等,故反滲透分離法又有廣譜分離法之稱。

與其他水處理方法相比具有無相態變化、常温操作、設備簡單、效益高、佔地少、操作方便、能量消耗少、適應範圍廣、自動化程度高和出水質量好等優點。反滲透法脱鹽率及產水純淨程度都比電滲析法高,出水水質優於我國《生活飲用水衞生標準》,對高氟低礦化度苦鹹水通過反滲透法淡化,出水水質可達到我國《飲用純淨水衞生標準》。有資料表明,反滲透法淡化苦鹹水的能耗———電耗、水耗均低於電滲析法,而且反滲透法設備結構緊湊、佔地面積小、運行效果穩定可靠、符合“清潔生產”要求,反滲透法是較其他方法更為合理、有效的苦鹹水淡化方法。

採用反滲透法對不同含鹽量的苦鹹水進行脱鹽淡化,淡化過程中,系統運行穩定。系統的脱鹽率達96 %以上,淡化水水質達到國家生活飲用水標準。反滲透系統苦鹹水淡化裝置具有較強的適應性,可根據原水的水質情況,調整運行參數來實現對不同含鹽量的苦鹹水連續進行處理。該裝置高度集成化,可望成為定型的成套設備。

需要高壓設備，原水利用率只有75-80%。膜要定期清洗。

反滲透法是20世紀50年代美國政府援助開發的淨水系統。60年代用於海水淡化。1981年美國曾將反滲透製造的純水作為航天員的循環飲用水，因此用反滲透處理的純水又稱太空水。採用反滲透法制造純淨水的優點是脱鹽率高，產水量大，化學試劑消耗少，勞動強度低，水質穩定，離子交換樹脂壽命長，終端過濾器壽命長。反滲透技術在未來20年內將是最有效、最關鍵的水處理方式。這就是説純水機的誕生無疑是飲用水市場發展的必然規律。

在水處理方面使用反滲透技術在全世界的公認度：

1、Harvard美國哈佛大學醫學院檢驗合格。

2、美國國家衞生試驗所檢驗標準。

National Sanitation Foundation Testing Laboratory Seal

3、美國LOMA LINDA大學醫學院檢驗合格。

4、美國加洲ORANGE COUNTY自來水管理局獎賞。

5、Dr.T.C.McDANIEL美國醫學學會推薦。

6、Wcts檢驗合格。

7、CCEL檢驗超標準。

8、NASA美國太空總署採用航天飛機裝備。

9、Coca cola（可口可樂）公司採用。

10、美國海軍採用使海水變淡水。

常規反滲透法工藝流程是:原水→預處理系統→高壓水泵→反滲透膜組件→淨化水。其中預處理系統視原水的水質情況和出水要求 可採取粗濾、活性炭吸附、精濾等,精濾必不可少,是為了保護反滲透膜、延長其使用壽命而設立的,另外,複合膜對水中的遊離氯非常敏感,因而預處理系統中通常都配備活性炭吸附。

給水預處理對反滲透法安全運行是至關重要的。無論地表水或地下水,都含有一些可溶或不可溶的有機物和無機物。雖然反滲透能截留這些物質,但反滲透主要是用來脱鹽。如果反滲透給水中含有過多的濁度、懸浮物質,這些物質將會淤積在膜表面上,此外還可使水中硬度過高而結垢,這些將使流道堵塞,造成膜組件壓差增大、產水量和脱鹽率下降,甚至使膜組件報廢的嚴重結果。另外不同膜材料具有不同的化學穩定性,它們對p H、餘氯、温度、細菌、某些化學物質等的穩定性也有很大的影響,對給水預處理的要求也不同。一般來講,膜組件生產廠商均會提出給水水質指標。這些指標包括:

(1) 淤泥密度指數( S D I) 。該指數能較好地反映給水中膠體、濁度和懸浮物的含量,給水預處理後, S D I 越低對膜組件的使用年限越長, 一般要求S D I ≤4 。降低給水中的S D I ,可採取絮凝、沉澱、過濾等方法。

(2) p H。複合膜耐p H 範圍較寬(2～11) ,而三醋酸纖維素耐p H 範圍較窄(3～8) ,超過規定範圍膜易水解。調節p H 的另一個目的是降低給水中的鹼度。

(3)鹼度。鹼度是度量水樣中和酸的能力,能與酸中和的物質是氫氧根離子、碳酸鹽、碳酸氫鹽、硅酸鹽和磷酸鹽等,鹼度與氫氧化物和碳酸鹽結垢有密切關係。鹼度過高就必須用酸中和加以破壞。

(4) 温度。不同膜材料的耐温能力有所不同。如複合膜耐温可高達45 ℃,而三醋酸纖維膜則不能超過35 ℃,水温度過高還會增加膜的壓密性,膜組件產水量會大大下降。此外較高的水温( 超過25 ℃) 會加速細菌的繁殖,這時更要注意滅菌措施。

(5) 鐵錳的含量。鐵、錳易造成膜面上污垢的沉積。

(6) 硫酸鹽。硫酸鹽(如CaSO4 ) 不易清除,當硫酸鹽和鈣、鎂含量較高時,必須注意加防垢劑,嚴格控制水的回收率。

(7) 硬度。硬度主要指鈣離子和鎂離子的含量,它是碳酸鹽垢和硫酸鹽垢的主要成分。通過計算水中Lange2lier 飽和指數、Stiff 和Davis穩定指數可判斷結垢的趨勢。

(8)餘氯。加氯滅菌也是反滲透淡化過程中不可少的過程,但不同膜材料的耐氯性有很大的差別。三醋酸纖維素耐氯性能較好,可耐1. 0 mg/ L 的餘氯,而複合膜則只能在低於0. 1 mg/ L 下運行。通過加入亞硫酸氫鈉可以降低餘氯。

(9)總有機碳( TOC) 。TOC 過多可能引起微生物的污染,特別是經過殺菌消毒過程,如水温較高,消毒分解的有機物,正是細菌的餌料,以致殘存的細菌繁殖更快,醋酸纖維素膜對此非常敏感。降低給水中的TOC ,可通過活性碳吸附。

雖然反滲透系統運行已證明是可靠的,但產生的故障報道也不少,如給水預處理不當、沒有按規定控制各種運行參數,均系操作不當引起。因此,反滲透淡化系統安全運行必須注意以下問題:

(1) 定期測試S D I 指數。S D I 過高,會造成膜組件的不可逆污染,縮短組件的壽命。

(2) 控制回收率。回收率過高,一方面使難溶鹽的組分超過溶度積而結垢,另一方面組件裏的濃水流速過低,易於產生濃差極化引起結垢,同時不利於把水中膠體、懸浮物等排出。

(3) 注意膜組件的壓差。膜組件的初期壓差是很小的,如若壓差增大較快,預示膜組件被污染或結垢,必須查出原因,並予以糾正。

(4) 注意產水量和脱鹽率的變化,通常與壓差變化同時出現。如在短時間內,產水量和脱鹽率明顯變化,必須檢查預處理系統運行是否正常,如加藥量是否合適、過濾器是否漏砂等。

(1)反滲透系統對二價及多價陽陰離子的截留效果高於單價離子(表1) 。

表1 　 陰、陽離子截留率( %)

陽離子　陰離子

Fe3 + Ca2 + Mg2 + K+ Na + 　 SO2 -4 Cl - F - HCO -3

100. 0 98. 8 99. 5 98. 5 96. 5 　 98. 4 96. 4 96. 0 94. 7

(2 )反滲透系統對水質極差的SO4 ·Cl2Na ·Mg型和SO4 ·Cl2Na 型苦鹹水中的溶解性總固體、總硬度、鐵、錳、鈣、鎂、鉀、鈉、硫酸鹽、氯化物、二氧化硅等無機鹽的去除率為96 %～100 %;總硬度、氯化物、硫酸鹽、溶解性固體等指標去除率大於 98 % ,出水水質優於國家和國際水質標準.

(3)反滲透系統對人體健康危害較大的氟化物去除率為96 % ,六價鉻去除率為92. 5 %。

(4)反滲透系統對污染性及毒理學指標、耗氧量、N H32N、NO22N 、NO32N、砷去除率40 %～83 %,低於上述無機鹽類去除率,但原水中污染性指標含量相對較低,40 %～83 %的去除率完全可以滿足生活飲用水衞生標準要求。

(5) 苦鹹水中,微生物含量在地表水、地下水中差異較大,反滲透系統對細菌總數檢測的去除率從44. 6 %提高到93. 2 % ,去除效果明顯。

(6) 原水中毒理學指標及部分理化指標如銅、鋅、鉛、鉻、鎘、銀、汞、硒、氰、揮發酚類、三氯甲烷、四氯化碳、苯並(a) 芘、滴滴涕、六六六含量均較低,大都低於檢驗方法的檢出下限,不做加標檢驗,難以從運行水質指標中確定反滲透器對它們的去除效果,但根據中國預防醫學科學院環境衞生監測所1997年7 月對一些反滲透裝置加標檢驗報告來看,上述指標的去除率絕大部分達到100 %。

鍋爐補給水、除鹽水設備------各種蒸汽鍋爐、火力發電廠、熱水爐、石化熱力鍋爐等補給水。

中水、廢水回用設備------石油化工、鋼鐵、市政、紡織印染等工業領域的中水、廢水回用。

電子工業用超純水設備------單晶硅、半導體晶片切割製造、半導體芯片、半導體封裝、引線框架、集成電路、液晶顯示器、導電玻璃、顯像管、線路板、光通信、電腦元件、電容器潔淨產品及各種元器件等生產工藝用純水。

一般工業用純水設備-----鍍膜玻璃、電鍍、表面塗裝、紡織印染、工業配液、工業產品清洗等用水。

生物醫藥行業用純水設備-----針劑、粉針劑、大輸液、生化製品用水、醫用無菌水、口服液等符合GMP標準。

精細化工行業用純水設備------化工工藝用水、化學藥劑、化妝品等用純水。

飲料、食品行業水處理設備---飲用純淨水、蒸餾水、礦泉水、天然水、礦化水、啤酒生產用水、白酒勾兑用純水。

苦鹹水淡化、海水淡化設備。

膜分離設備--藥物分離、回收、濃縮、提純設備。

生活飲用水處理、賓館、樓宇、社區優質供水設備、直飲水工程。

反滲透海水淡化技術發展很快，工程造價和運行成本持續降低，主要發展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統回收率，廉價高效預處理技術，增強系統抗污染能力等。

反滲透，英文為Reverse Osmosis，它所描繪的是一個自然界中水分自然滲透過程的反向過程。早在1950年美國科學家DR.S.Sourirajan有一回無意中發現海鷗在海上飛行時從海面啜起一大口海水，隔了幾秒後吐出一小口的海水。他由此而產生疑問：陸地上由肺呼吸的動物是絕對無法飲用高鹽份的海水，那為什麼海鷗就可以飲用海水呢？這位科學家把海鷗帶回了實驗室，經過解剖發現在海鷗囔嗉位置有一層薄膜，該薄膜構造非常精密。海鷗正是利用了這薄膜把海水過濾為可飲用的淡水，而含有雜質及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴外。這就是以後逆滲透法（Reverse Osmosis 簡稱 R.O）的基本理論架構。

對透過的物質具有選擇性的薄膜成為半透膜。一般將只能透過溶劑而不能透過溶質的薄膜視為理想的半透膜。當把相同體積的稀溶液（如淡水）和濃液（如海水或鹽水）分別置於一容器的兩側，中間用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然的穿過半透膜，向濃溶液側流動，濃溶液側的液麪會比稀溶液的液麪高出一定高度，形成一個壓力差，達到滲透平衡狀態，此種壓力差即為滲透壓。滲透壓的大小決定於濃液的種類，濃度和温度與半透膜的性質無關。若在濃溶液側施加一個大於滲透壓的壓力時，濃溶液中的溶劑會向稀溶液流動，此種溶劑的流動方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透，這種裝置稱為反滲透裝置。