反渗透和纳滤的基础知识

第三章反渗透和纳滤的原理

3.1 反渗透和纳滤基础

3.1.1 膜与膜过程

膜在自然界中是广泛存在的，尤其在生物体内。但是人类首次注意到由生物膜引起的渗透现象是在1748 年，法国学者Abbe Nollet（1700 – 1770）很偶然的发现包裹在猪膀胱里的水可以自己扩散到膀胱外侧的酒精溶液中。法国植物学家Henri Dutrochet（1776 – 1847）在1827 年提出了Osmosis（渗透）一词来定义Abbe Nollet 发现的现象。但是，这一现象并未能引起足够的重视，直到1854 年英国科学家Thomas Graham（1805 – 1869）在实验中发现，放置在半透膜一侧的晶体会比胶体更快的扩散到另一侧，并提出了Dialysis（透析）的概念。这时人们才对半透膜产生了兴趣，并由德国生物化学家Moritz Traube（1826 – 1894）在1864 年制造出了人类历史上第一张人造膜——亚铁氰化铜膜。完整的渗透压理论直到20 世纪才由荷兰物理化学家Van't Hoff（1852 – 1911）提出。后来，随着各个学科的不断发展，膜分离现象也不断为人们发现并研究。1960 年，人类终于实现了从苦咸水中制取淡水的梦想，工作于美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的科学家Sidney Loeb （1917 –）和Srinivasa Sourirajan（1923 –）共同研制出世界第一张非对称醋酸纤维素反渗透膜。从那时起的近半个世纪以来，膜分离技术，包括反渗透和纳滤，在世界范围得到了广泛的发展和应用。表3.1 列出了膜分离技术发展简史。

表3.1 膜分离技术发展史

随着膜材料、制膜方法以及膜应用的不断发展，膜分离技术逐渐成为分离技术大家族中的重要成员。与传统的分离技术（例如：过滤、蒸馏、萃取、电泳和层析等）相比，膜分离技术的分离精度高、易于操作和管理、在应用中对环境造成的二次污染小。正是由于这些优点，膜分离技术在短短的半个世纪中就发展成为一种重要的单元分离工艺，并且发展出若干具有不同特点和应用领域的膜分离过程。主要的膜分离过程包括：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、透析（DA）、电渗析（ED）、电脱盐（EDI）、渗透汽化（PV）、膜萃取（ME）、膜蒸馏（MD）、液膜技术（LM）和气体分离（GS）等。表3.2 将主要的膜分离过程做了分类和介绍。按照这些膜分离过程所能分离物质的不同物理尺寸，我们可以画出分离谱图，如图3.1。

表3.2 主要的膜分离过程

图 3.1 分离谱图

3.1.2 反渗透和纳滤基本原理

当一张半透膜隔开溶液与纯溶剂时，加在溶液上并使其恰好能阻止纯溶剂进入溶液的额外压力称之为渗透压，通常溶液中溶质的浓度越高渗透压就越大。当溶液一侧没有加压时，纯溶剂会通过半透膜向溶液一侧扩散，这一现象称为渗透

（Osmosis ）。反之，如果加在溶液侧所加压力超过了渗透压，则反而可以使溶液中的溶剂向纯溶剂一侧流动，这个过程就叫做反渗透（Reverse Osmosis ），如图 3.2 所示。反渗透膜分离技术就是利用反渗透原理分离溶质和溶剂的方法。反渗透膜分离技术具有以下特点：

• 在常温不发生相变化的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质

的分离、浓缩，并且与有相变化的分离方法相比，能耗较低；

• 杂质去除范围广，不仅可以去除溶解的无机盐类，而且还可以去除各类有机物杂

质； • 脱盐率高；

• 由于只是利用压力作为膜分离的推动力，因此分离装置简单，易操作、控制和维

护；

• 反渗透膜对进水水质有一定的要求，如：浊度、污染密度指数（SDI 15，相关论述

请参见第二部分第三章 3.2.2）和余氯等。

半透膜 半透膜 半透膜 （a ）渗透

（b ）渗透平衡

（c ）反渗透

图 3.2 反渗透的原理

纳滤膜元件最早被称为疏松反渗透，其截留特性介于超滤与反渗透之间，大约为 100 – 1 000 道尔顿（Daltons ）。因此，纳滤膜元件对水中溶解的小分子有机物，例

盐水 纯水 大于渗 透压的压力

盐水 纯水

纯水 盐水 渗透压

x

如：三卤甲烷（THM ）有很高的脱除率；同时纳滤膜元件对水溶液中的离子也有一定的脱除率（一般在 10 – 90 %之间）。

反渗透膜的发展分为两个阶段：非对称膜和复合膜。在反渗透膜发展的早期，主要的膜材料为三醋酸纤维素（CA ）。这种膜材料对进水 pH 值的要求比较严格（一般在 4 – 6 之间），且工作压力相对较高、脱盐率相对较低，但是其具有耐生物污染和耐氧化性杀菌剂的优点。近年来，随着高分子材料科学的不断发展。脱盐率更高、水通量更大、工作压力更低的芳香聚酰胺（结构见图 3.3）被用来制备反渗透膜。与 CA 非对称膜不同的是，芳香聚酰胺反渗透膜是复合膜，即分离层与支撑层不是同一种材料，并且是通过界面聚合交联在一起的。图 3.4 显示了非对称膜和复合膜的区别。

H H O O H

N

N C

C N

CO

H O O N C

C

COOH

图 3.3 交链全芳香族聚酰胺结构

①

②

①：表面密致层 ①：表面密致层

②：支撑层 ②：支撑层

材质①=② 材质①≠②

非对称膜

复合膜

图 3.4 非对称膜与复合膜结构比较

①

②

y