若在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时,溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反,开始从浓溶液向稀溶液一侧流动,这一过程称为反渗透。 反渗透是渗透的一种反向迁移运动,是一种在压力驱动下,借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法,它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩,其中普遍的应用实例便是在水处理工艺中,用反渗透技术将原水中的无机离子、、、有机物及胶体等杂质去除,以获得高质量的纯净水。
技术基础
渗透膜早已存在于自然界中,但直到1748年,Nollet发现水能自然的扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内,人类才发现了渗透现象。
自然的渗透过程中,溶剂通过渗透膜从低浓度向高浓度部分扩散;而反渗透是指在外界压力作用下,浓溶液中的溶剂透过膜向稀溶液中扩散,具有这种功能的半透膜称为反渗透膜,也称RO(Reverse Osmoses)膜。
世界上从反渗透过程的传质机理及模型来说,主要有三种学说:
1、溶解-扩散模型
Lonsdale等人提出解释反渗透现象的溶解-扩散模型。他将反渗透的活性表面皮层看作为致密无孔的膜,并假设溶质和溶剂都能溶于均质的非多孔膜表面层内,各自在浓度或压力造成的化学势推动下扩散通过膜。溶解度的差异及溶质和溶剂在膜相中扩散性的差异影响着他们通过膜的能量大小。其具体过程分为:步,溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解;第二步,溶质和溶剂之间没有相互作用,他们在各自化学位差的推动下以分子扩散方式通过反渗透膜的活性层;第三步,溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。
在以上溶质和溶剂透过膜的过程中,一般假设步、第三步进行的很快,此时透过速率取决于第二步,即溶质和溶剂在化学位差的推动下以分子扩散方式通过膜。由于膜的选择性,使气体混合物或液体混合物得以分离。而物质的渗透能力,不仅取决于扩散系数,并且决定于其在膜中的溶解度。
溶剂和溶质在膜中的扩散服从Fick定律,这种模型认为溶剂和溶质都可能溶于膜表面,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要小得多,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。
2、 优先吸附—毛细孔流理论
当液体中溶有不同种类物质时,其表面张力将发生不同的变化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有机物质,可使其表面张力减小,但溶入某些无机盐类,反而使其表面张力稍有增加,这是因为溶质的分散是不均匀的,即溶质在溶液表面层中的浓度和溶液内部浓度不同,这就是溶液的表面吸附现象。当水溶液与高分子多孔膜接触时,若膜的化学性质使膜对溶质负吸附,对水是优先的正吸附,则在膜与溶液界面上将形成一层被膜吸附的一定厚度的纯水层。它在外压作用下,将通过膜表面的毛细孔,从而可获取纯水。
纯水和超纯水的制备
反渗透+混床水处理技术改进了原来的全离子交换制水工艺,运行期间,产水增加,水质改善,大幅度降低了制水成本。此外,许多科研人员均对反渗透+电去离子法制取纯水进行了实验研究,达到了预期结果,证实了反渗透+电去离子法制取高纯水的可行性。通过控制反渗透的级数可制取不同纯度脱盐水。随着反渗透级数的增加,脱盐水的纯度提高,但是出水量减少,水利用率降低,因此,反渗透装置连用一般不会超过二级,通常将反渗透与电去离子技术联用,不仅克服了反渗透出水不能彻底除盐的不足,还可以提高电去离子装置的进水水质,防止电去离子设备损坏,提高整体净水效果。
工业废水处理
工业废水处理是除脱盐和纯水的制备领域外,反渗透技术应用多的一个领域。工业废水处理具有降低生产成本,保护环境,实现废水资源化等多重意义。由于反渗透膜对进水要求较高,运用反渗透技术对废水进行深度处理时,往往还要结合沉降、混凝、微滤、超滤、活性炭吸收、pH调节等预处理工艺。
重金属废水处理
反渗透技术在重金属废水处理中应用较早,国内外均对此进行了大量的研究。早在20世纪70年代,反渗透技术已经在电镀废水处理中有所应用,主要是大规模用于镀镍、铬、锌漂洗水和混合重金属废水的处理。
膜分离技术浓缩电镀镍漂洗水,镍离子的截留率大于99%,经一级纳滤和两级反渗透浓缩后,浓缩液中镍离子浓度达到50g·L-1,透过液可经处理后再次回用。张连凯对印制电路板加工酸洗车间产生的重金属废水调节pH至中性后采用超滤+反渗透工艺进行中试,反渗透系统对Cu2+和溶解性总固体的去除率分别为99.9%和98.9%。
印染废水处理
印染纺织废水不仅色度高、水量大,而且成分十分复杂,废水中含有染料、浆料、油剂、助剂、酸碱、纤维杂质以及无机盐等,染料结构中还含有很多较大生物毒性的物质,如硝基和胺类化合物以及铜、铬、锌、等重金属元素,如不经处理直接排放,必将对环境造成严重污染。
超滤+反渗透双膜技术处理印染废水,超滤能够有效地去除废水中大分子有机物,降低浊度,使进水水质达到反渗透膜的要求,经反渗透处理后,有机物和盐的去除率可分别达99%和93% 以上,产水化学需氧量小于10mg·L-1,电导率小于80μS·cm-1,产水满足大部分印染工艺用水标准。钟璟采用中空纤维超滤膜和反渗透技术处理羊毛印染废水,操作压力为0.1MPa,流速为1500L·h-1的条件下,色度、含盐量等指标均有显著的降低,COD值、色度达标排放。
在反渗透膜基础研究层面,如何通过材料特性 的设计与调控,突破反渗透膜脱盐率与水通量的相互制约关系仍需深入探讨,主要包括: 1) 成膜反应单体性质与膜结构和膜性能的关系,新型反应单体的设计与合成。2) 混合基质膜中添加的一维及二维材料的取向排布方法,建立有效水通道。3) 解决有机/无机纳米粒子在界面聚合反应中的分散性问 题,使得粒子的加入对膜分离性能和通量起到提高作用。4) 无机材料性质及复合有机/无机纳米粒子对反渗透复合膜结构、分离性能的影响机制及膜传递机理的规律性、机理性认识。5) 各种新型反渗透膜的构效关系,长期应用条件下的膜性能的演变规律的研究也有待开展。
反渗透膜在水处理和海水苦咸水淡化方面发挥了重要作用,随着我国严格“水十条”的实施,可以预见反渗透水处理技术和新型反渗透膜研制 将迎来新的发展机遇。在商品化反渗透膜方面,我国与国外产品性能差距较大。可能的原因是缺乏对规模化连续生产条件下成膜反应-膜结构-膜效能关系的充分认识。开展成膜反应机制与膜性能调控研究、连续化成膜条件控制与膜结构关系、膜产品应用性能评价等将是规模化反渗透膜研究的方向。
反渗透原理
当把相同体积的稀溶液和浓液分别置于一容器的两侧,中间用半透膜阻隔,稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜,向浓溶液侧流动,浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度,形成一个压力差,达到渗透平衡状态,此种压力差即为渗透压。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时,浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动,此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反,这一过程称为反渗透。
中文名 反渗透原理 外文名 Reverse Osmosis 主要指标 脱盐率和透盐率,产水量,回收率 影响因素 进水压力,温度,PH值,盐浓度 过 程 水分自然渗透过程的反向过程 物 质 反渗透膜
主要用途:
⒈制取电子工业生产如显像管玻壳、显像管、液晶显示器、线路板、计算机硬盘、集成电路?芯片、单晶硅半导体等工艺所需的纯水、高纯水;
⒉制取热力、火力发电锅炉,厂矿企业中、低压锅炉给水所需软化水、除盐纯水;
⒊制取工业所需的大输液、剂、药剂、生化制品纯水、无菌水及透析用纯水等;
⒋制取饮料(含酒类)行业的饮用纯净水、蒸馏水、矿泉水,酒类酿造水和勾兑用纯水;
⒌海水、苦咸水制取生活用水及饮用水;
⒍制取电镀工艺用去离子水;电池(蓄电池)生产工艺的纯水;汽车、家用电器、建材产品
表面涂装、清洗沌水;镀膜玻璃用纯水;纺织印染工艺所需的除硬除盐水;
⒎石油化工业如化工反应冷却水;化学药剂、化肥及精细化工、化妆品制造过程用工艺纯?水;
⒏宾馆、楼宇、社区机场房产物业的供水网络系统及游泳池水质净化;
⒐线路板、电镀、电子工业废水处理及回用;
⒑生活、、制革、印染、造纸工业废水及垃圾渗沥液的处理;
技术说明:反渗透(简称RO)是膜分离技术的一种,它依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂和溶质分离的特性工作。
“渗透”是一种物理的现象,逆渗透就是在含有盐及各种细微杂质的水中(即原水)施加比自然渗透的更大的压力,使水从浓度高的一方逆渗透浓度底的一方,而原水中绝大多数的杂质、有机物、重金属、、及其它有害物质等都经污水口排放掉。
反渗透设备特点及应用范围:
脱盐率高,又可以同时除去、及其它有机物,出水水质符合国标GBI7323-1998标准;
反渗透设备主件采用进口美国的复合膜元件及进口高压不锈钢泵,进水适应性、脱盐率和使用寿命等方面,与其它反渗透元件相比,具有独特的优点;
设计压力:1.05~1.6Mpa,脱盐率:96~99%;
自动化程度高,运行稳定,故障率低且运行费用低等优点;
适用酒勾兑用水,罐头产品加工用水,瓶、桶装饮用水,各种饮料用水;
适用于电子、化工、电力、制药等行业用水的制备;