反滲透
反滲透是60年代發展起來的一項新的膜分離技術,是依靠反滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質進行分離的過程.反滲透的英文全名是“REVERSEOSMOSIS”,縮寫為“RO”.RO（ReverseOsmosis）反滲透技術是利用壓力表差為動力的膜分離過濾技術，源於美國二十世紀六十年代宇航科技的研究，後逐漸轉化為民用，目前已廣泛運用於科研、醫藥、食品、飲料、海水淡化等領域。RO反滲透膜 孔徑小至納米級（1納米=10*-9米），在一定的壓力下，H2O分子可以通過RO膜，而源水中的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質無法通過RO膜，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴格區分開來。一般性的自來水經過RO膜過濾後的純水電導率5μs/cm（RO膜過濾後出水電導=進水電導×除鹽率，一般進口反滲透膜脫鹽率都能達到99%以上，5年內運行能保證97%以上。對出水電導要求比較高的，可以採用2級反滲透，再經過簡單的處理，水電導能小於1μs/cm）,符合國家實驗室三級用水標準。再經過原子級離子交換柱循環過濾，出水電阻率可以達到18.2M.cm，超過國家實驗室一級用水標準（GB6682—92）。
反滲透的原理:
首先要了解“滲透”的概念.滲透是一種物理現象.當兩種含有不同鹽類的水,如用一張半滲透性的薄膜分開就會發現,含鹽量少的一邊的水分會透過膜滲到含鹽量高的水中,而所含的鹽分並不滲透,這樣,逐漸把兩邊的含鹽濃度融合到均等為止.然而,要完成這一過程需要很長時間,這一過程也稱為滲透壓力.但如果在含鹽量高的水側,試加一個壓力,其結果也可以使上述滲透停止,這時的壓力稱為滲透壓力.如果壓力再加大,可以使方向相反方向滲透,而鹽分剩下.因此,反滲透除鹽原理,就是在有鹽分的水中(如原水),施以比自然滲透壓力更大的壓力,使滲透向相反方向進行,把原水中的水分子壓力到膜的另一邊,變成潔淨的水,從而達到除去水中雜質、鹽分的目的。
反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側的料液施加壓力，當壓力超過它的滲透壓時，溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側得到透過的溶劑，即滲透液；高壓側得到濃縮的溶液，即濃縮液。若用反滲透處理海水，在膜的低壓側得到淡水，在高壓側得到滷水。反滲透時，溶劑的滲透速率即液流能量N為：N=Kh(Δp－Δπ)式中Kh為水力滲透係數，它隨溫度升高稍有增大；Δp為膜兩側的靜壓差；Δπ為膜兩側溶液的滲透壓差。稀溶液的滲透壓π為：π=icrt式中i為溶質分子電離生成的離子數；C為溶質的摩爾濃度；R為摩爾氣體常數；T為絕對溫度。反滲透通常使用非對稱膜和複合膜。反滲透所用的設備，主要是中空纖維式或卷式的膜分離設備。反滲透膜能截留水中的各種無機離子、膠體物質和大分子溶質，從而取得淨制的水。也可用於大分子有機物溶液的預濃縮。由於反滲透過程簡單，能耗低，近20年來得到迅速發展。現已大規模套用于海水和苦鹹水（見滷水）淡化、鍋爐用水軟化和廢水處理，並與離子交換結合製取高純水，目前其套用範圍正在擴大，已開始用於乳品、果汁的濃縮以及生化和生物製劑的分離和濃縮方面。
RO反滲透的由來:
1950年美國科學家DR.S.Sourirajan有一回無意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,而產生疑問,因為陸地上由肺呼吸的動物是絕對無法飲用高鹽份的海水的.經過解剖發現海鷗體內有一層薄膜,該薄膜非常精密,海水經由海鷗吸入體內後加壓,再經由壓力作用將水分子貫穿滲透過薄膜轉化為淡水,而含有雜質及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴外,此即往後反滲透法的基本理論架構;並在1953年由UniversityofFlorida套用于海水淡化去除鹽份設備,在1960年經美國聯邦政府專案支助美國U.C.L.A大學醫學院教授Dr.S.Sidneylode配合DR.S.Soirirajan博士著手研究反滲透膜,一年約投入四億美元經費研究,以運用於太空人使用,使太空船不用運載大量的飲用水升空,直到1960年投入研究工作的學者、專家越來越多,使之質與量更加精進,從而解決了人類欽用水中的難題.
統一的“乾閉濕開”模型
反滲透機理模型有幾個經典模型
1.優先吸附毛細孔模型：弱點乾態電鏡下，沒發現孔。濕態膜標本不是電鏡的樣品。Sourirajan
2.溶解擴散模型：不認為有孔。
3.乾閉濕開模型：上個世紀80，90年代，鄧宇等提出的，能夠解釋1和2模型的統一的現代最貼切的逆滲透機理模型。既“乾閉濕開”反滲透模型，統一了兩個最經典的反滲透機制模型，細孔模型，溶解擴散模型。即膜乾時，膜收縮緻密，孔隙閉合，電鏡下看不到；膜濕時，膜材料溶脹，膜的孔隙被溶劑溶脹，孔打開。合併就是“乾閉濕開”脫鹽模型。
海水淡化技術:非加壓吸附滲透海水淡化法
上個世紀90年代鄧宇的發明，《美國化學文摘》收錄RO膜的孔徑是頭髮絲的一百萬分之五（0.0001微米），也就是1×10^-10m，而水分子的直徑是4×10^10m，試問水分子如何透過？RO（乾）膜的孔徑=1×10m，應該是“乾膜”的孔徑。膜分子結構是有彈性的，當“乾RO膜”被水溶脹後，其“濕膜”的孔徑>≥1×10m，達到水分子的4×10m是容易的，況且水分子也不是死硬的，是柔性的，正好似“柔情似水”。
ro膜清洗方案
清洗ro膜元件的一般步驟：
一、用泵將乾淨、無游離氯的反滲透產品水從清洗箱(或相應水源)打入壓力容器中並排放幾分鐘。
二、用乾淨的產品水在清洗箱中配製清洗液（不同的膜需不同的清洗液）。
三、將清洗液在壓力容器中循環1小時或預先設定的時間。
四、清洗完成以後，排淨清洗箱並進行沖洗，然後向清洗箱中充滿乾淨的產品水以備下一步沖洗。
五、用泵將乾淨、無游離氯的產品水從清洗箱(或相應水源)打入壓力容器中並排放幾分鐘。
六、在沖洗反滲透系統後，在產品水排放閥打開狀態下運行反滲透系統，直到產品水清潔、無泡沫或無清洗劑(通常15~30分鐘)。
造成RO使用壽命縮短的原因
1 反滲透設備的操作不當引起膜性能的損壞
1.1 反滲透設備中有殘餘氣體在高壓下運行,形成氣錘會損壞陶氏反滲透膜
常有兩種情況發生:
A、設備排空後,重新運行時,氣體沒有排盡就快速升壓運行。應在2～4bar的壓力下將餘下的空氣排盡後,再逐步升壓運行。
B、在預處理設備與高壓泵之間的接頭密封不好或漏水時(尤其是微濾器及其後的管路漏水)當預處理供水不很足時,如微濾發生堵塞,在密封不好的地方由於真空會吸進部分空氣。應清洗或更換微濾器,保證管路不漏。總之,應在流量計中沒有氣泡的情況下逐步升壓運行,運行中發現氣泡應逐漸降壓檢查原因。
1.2 反滲透設備關機時的方法不正確
A、關機時快速降壓沒有進行徹底沖洗。由於膜濃水側的無機鹽的濃度高於原水,易結垢而污染膜。
B、用投加化學試劑的預處理水沖洗。因含化學試劑的水在設備停運期間可能引起膜污染。
反滲透設備在準備關機時,應停止投加化學試劑,逐步降壓至3bar左右用預處理好的水沖洗10min,直至濃縮水的TDS與原水的TDS很接近為止。
1.3 反滲透設備消毒和保養不力導致微生物的污染
這是複合聚醯胺膜使用中普遍存在的問題,因為聚醯胺膜耐余氯性差,在使用中沒有正確投加氯等消毒劑,加上用戶對微生物的預防重視不夠,容易導致微生物的污染。目前許多廠家生產的純水微生物超標,就是消毒,保養不力造成的。
主要表現為:出廠時,RO設備沒有採用消毒液保養;設備安裝好後沒有對整個管路和預處理設備消毒;間斷運行不採取消毒和保養措施;沒有定期對預處理設備和反滲透設備消毒;保養液失效或濃度不夠。
1.4 反滲透設備余氯監測不力
如投加NaHSO3的泵失靈或藥液失效,或活性炭飽和時因余氯損壞膜。
2 清洗不及時與清洗方法不正確導致的膜性能的損壞
設備在使用過程中,除了性能的正常衰減外,由於污染而引起設備性能的衰減更為嚴重。通常的污染主要有化學垢,有機物及膠體污染,微生物污染等。不同的污染表現出的症狀是不同的。不同的膜公司所提出的膜污染的症狀也是有一定的差異。
在工程中我們發現,污染時間的長短不一樣,其症狀也不一樣。如:膜發生碳酸鈣垢污染,污染時間為一個星期時,主要表現為脫鹽率的迅速下降,壓差緩慢增大,而產水量變化不明顯,用檸檬酸清洗能完全恢復性能。污染時間為一年(某純水機),鹽通量由最初的2mg/L上升為37mg/L(原水為140mg/L～160mg/L),產水量由230L/h下降為50L/h,用檸檬酸清洗後,鹽通量降為7mg/L,產水量上升至210L/h。
再者污染往往不是單一的,其表現的症狀也有一定的差別,使得污染的鑑別更困難。
鑑別污染類型要綜合原水水質,設計參數,污染指數,運行記錄,設備性能變化及微生物指標等加以判斷:
(1)膠體污染:發生膠體污染時,通常伴隨著以下兩個特性:
A、前處理中微濾器堵塞得很快,尤其是壓差增大很快。
B、SDI值通常在2.5以上。
(2)微生物污染:發生微生物污染時,RO設備的透過水和濃縮水中的細菌總數都比較高,平時一定沒有按要求進行保養和消毒。
(3)鈣垢:可依據原水水質及設計參數進行判斷。對碳酸鹽型水而言,如果回收率為75%時,設計時投加了阻垢劑,濃縮液的LSI應小於1;不投加阻垢劑時濃縮液的LSI應小於零,一般不會產生鈣垢。
(4)可用1/4英寸的PVC塑膠管插入組件中測試組件不同部位的性能變化進行判斷。
(5)根據設備性能的變化判斷污染的類型。
(6)可用酸洗(如檸檬酸、稀HNO3),根據清洗的效果和清洗液判斷鈣垢,通過清洗液成分分析進一步證實。
(7)對清洗液進行化學分析:取原水、清洗原液、清洗液,三個樣分析。
在確定了污染的類型後,可按表1中的方法清洗,然後消毒使用。在不能確定污染的類型時,通常採用清洗(3)+消毒+0.1%HCl(pH為3)的步驟清洗。
