逆渗透
逆渗透（reverse osmosis）又称为反渗透，是一种利用压力差进行膜分离的操作，也是一种将溶剂从溶液中分离出来的物理过程。预处理和膜分离是逆渗透工艺流程中的两个主要步骤。
根据不同的分类方式，逆渗透可以分为纤维素膜逆渗透、非纤维素膜逆渗透、纳滤膜逆渗透、超滤膜逆渗透和多级循环逆渗透等几种类型。不同的逆渗透技术具有不同的应用场景。逆渗透技术广泛应用于净水处理、海水淡化、工业过程水处理和废水回收等领域。该技术通过施加高于溶质的渗透压，可以有效去除水中的盐类、有机化合物、微生物和其他污染物，从而产生高纯度的水。
1953年，佛罗里达大学的Reid等人首次提出了逆渗透海水淡化的概念。此后，逆渗透技术经历了持续的更新和发展。在90年代，低压逆渗透复合膜问世，被认为是第三代逆渗透膜，极大地提高了膜的性能，为逆渗透技术的发展开辟了广阔的前景。逆渗透技术的发展是一个持续不断的改进和创新过程。逆渗透技术具有进一步提高性能、扩大应用领域，并与其他新兴技术相结合的发展趋势。
发展历史
在1748年，Nollet便观察到了渗透现象，但直到20世纪20年代，Van't Hoff和J·W·Gills通过对现象的研究总结，建立了稀溶液理论和渗透压与其他热力学性能之间的关系。这为逆渗透现象的研究工作提供了坚实的理论基础。
逆渗透作为一项新型的膜分离技术，最早是在1953年由美国C. E. Reid教授在佛罗里达大学首次发现醋酸纤维素类具有良好的半透性。同年，根据Reid的建议，逆渗透研究被纳入美国国家计划。
1960年，加利福尼亚州大学首次成功制备了世界上具有历史意义的非对称醋酸纤维逆渗透半透膜，其脱盐率达到了高水平（98.6%），推动了膜技术的发展，逆渗透技术首次被应用于海水和咸水淡化。
1961年，美国Hevens公司首次提出了管式膜组件的制造方法。
1965年，美国加利福尼亚大学制造出了用于咸水淡化的管式逆渗透装置。
70年代初，杜邦推出了芳香族聚胺中空纤维逆渗透器“Permasep B-9”（获得1971年美国Kirkpatrick化学工程最高奖），使逆渗透技术性能得到了显著提高。
80年代初，全芳香族聚酰胺复合膜及其卷式元件问世。之后逆渗透膜开始被应用于工业领域，用于醇类等共沸物的脱水。
90年代，低压逆渗透复合膜出现，成为第三代逆渗透膜，大幅度提高了膜的性能，为逆渗透技术
基本理论
根据20世纪50年代末以来的研究，逆渗透中的透过机理已经得到广泛关注，并提出了多种不对称逆渗透的透过机理和模型。
氢键理论
氢键理论是由托马斯·里德等人提出的，它描述了逆渗透过程中水分子通过氢键相互作用的机制。在逆渗透膜中，水分子与膜表面的功能基团通过氢键相互作用，增加了水分子在膜表面的吸附能力，从而促进水分子通过膜孔隙的溶剂通透性。这种相互作用导致水分子在膜表面形成线形排列型的扩散，并随着压力作用，水分子通过形成和断开氢键，从致密活性层进入多孔层，最终流出膜外。
优先吸附-毛细孔渗理论
优先吸附-毛细孔渗理论由索里拉金等人提出。该理论以氯化钠水溶液为例，将溶质定义为氯化钠，溶剂为水。根据该理论，逆渗透膜具有选择性吸水的膜表面，因此水分子会被优先吸附，而溶质氯化钠则会被排斥。在加压的情况下，被优先吸附的水分子通过膜，实现了脱盐过程。
这个理论还提出了混合物分离和渗透性的临界孔径概念，即选择性吸附界面水层厚度的两倍。这意味着膜的表面必须具备相应大小的毛细孔。基于该理论，索里拉金等人成功开发了高脱盐率和高透水性的实用逆渗透膜，为逆渗透膜技术的实际应用奠定了基础。
溶解扩散理论
根据朗斯代尔（Lonsdale）和赖利（Riley）等人的溶解扩散理论，逆渗透中的膜透过现象可以被解释为溶剂和溶质在膜中溶解并在化学位差的推动下从一侧扩散到另一侧，直至透过膜。这个理论假设膜是无缺陷的“完整膜”，而溶质和溶剂的扩散遵循菲克定律。根据这个模型，溶质和溶剂可能溶解于均质或非多孔型膜表面，并以化学位差（通常用浓度差或压力差表示）为推动力，使它们从膜中传递到膜的另一侧。因此，物质的渗透能力不仅取决于扩散系数，还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得越多，那么在高压下，水在膜内的移动速度就越快，导致透过膜的水分子数量比通过扩散而透过去的溶质数量更多。
据目前普遍认可，溶解扩散理论被广泛用于解释膜透过现象。此外，氢键理论、优先吸附毛细孔渗理论等也可以解释逆渗透膜的透过机理。一些学者提出了扩散-细孔渗理论、结合水-空穴有序理论以及自由体积理论等。
工艺流程
工作原理
逆渗透是一种通过半透膜将溶质从高浓度溶液逆向驱动到低浓度溶液的分离过程。在逆渗透工艺流程中，预处理和膜分离是两个主要的步骤。
预处理
预处理阶段的目标是通过一系列方法去除原水中的悬浮物、胶体、生物污染物、溶解气体和大部分有机物等杂质，以减轻后续膜处理过程的负担，并延长膜的使用寿命。预处理方法通常包括物理处理、化学处理和光化学处理等。
物理处理
沉淀：通过加入絮凝剂促进悬浮物在水中的沉淀，从而实现污染物的去除。
过滤：使用不同孔径的过滤介质，如砂滤、活性炭滤等，将杂质截留下来，有效去除悬浮物和一部分溶解物。
吸附：利用吸附剂吸附水中的有机物和某些离子，如活性炭吸附剂对有机物的去除效果较好。
热处理：通过加热原水，利用温度的变化去除一些溶解气体。
化学处理
化学处理方法主要包括氧化、还原和pH调节等。
氧化：通过添加氧化剂将污染物氧化成易于去除的物质，常用的氧化剂有氯、臭氧和过氧化氢等。
还原：通过添加还原剂将污染物还原成易于去除的形式，常用的还原剂有亚硫酸盐和亚硝酸盐等。
pH调节：通过改变水的酸碱性来影响污染物的溶解度和沉淀性，从而达到去除的目的。
膜分离
膜分离是逆渗透流程的核心步骤，通过逆渗透膜将水中的溶质分离出来。逆渗透膜是一种具有高选择性的半透膜，它能够阻止大部分溶质通过，只允许水分子通过膜的孔隙，从而实现水的脱盐和浓缩。
在膜分离过程中，常见的组件包括逆渗透膜模块、加压泵、脱盐率监测设备、浓水排放系统和浓水回收系统等。逆渗透膜模块是由多个逆渗透膜组成的装置，水经过逆渗透膜时被分为两部分：通过膜的纯水通道和被截留的浓水通道。加压泵提供足够的压力将水推动通过逆渗透膜，使纯水通过膜孔隙，而溶质则被截留在膜的一侧。脱盐率监测设备用于监测膜分离过程中的脱盐效果，确保所得到的水质符合要求。浓水排放系统用于处理被截留的浓水，使其排放或回收利用，以减少废水排放。浓水回收系统则将部分浓水经过处理后回收，提高水资源利用率。
除了预处理和膜分离外，逆渗透流程中还可能包括其他净水流程，例如砂滤、活性炭吸附、反渗透预处理等，这些步骤根据具体情况和水质要求进行选择和组合，以提高整体的水处理效果和膜的使用寿命。
常见分类
按膜材料化学成分
逆渗透按膜材料的化学组成可以分为纤维素膜逆渗透和非纤维素膜逆渗透。
纤维素膜逆渗透
纤维素膜逆渗透是一类以纤维素为基础的膜材料，包括纤维素食用醋酸纤维膜（CA）和纤维素三醋酸膜（CTA）。纤维素膜逆渗透的主要特点之一是其良好的水通透性。这意味着水分子可以相对容易地通过膜的孔径，实现水的分离和纯化。这种特性使得纤维素膜逆渗透在处理高盐水源，如海水淡化时非常有效。此外，纤维素膜逆渗透还具有较高的盐截留性能，可以有效去除水中的盐分和溶解性离子。这使得纤维素膜逆渗透适用于处理中等盐浓度的水源，如海水淡化和地表水处理。纤维素膜逆渗透材料在化学稳定性方面也表现出色，能够耐受一定程度的化学腐蚀和污染。这使得纤维素膜逆渗透在处理含有一定浓度物质的水源时具有一定的优势。
非纤维素膜逆渗透
非纤维素膜逆渗透是一类不以纤维素为基础的膜材料，常见的包括聚醚酮（PEEK）、pes（PES）和聚醚醚酮（PEEK）等。这些膜材料具有一些特殊的特点和优势，在水处理领域得到广泛应用。首先，非纤维素膜逆渗透材料具有较高的耐化学性和机械强度。它们能够耐受一定程度的化学腐蚀和压力，具备较长的使用寿命。这使得非纤维素膜逆渗透在处理各种水源时表现出良好的稳定性。此外，非纤维素膜逆渗透材料也具有良好的透水性能。它们能够相对容易地让水分子通过膜孔径，实现水的分离和纯化。
按膜孔径大小
逆渗透可以根据膜孔径大小进行分类，通常分为纳滤膜逆渗透和超滤膜逆渗透。
纳滤膜逆渗透
纳滤逆渗透（Nanofiltration Reverse Osmosis）是一种利用有机高分子化合物聚合物膜进行分离的技术。这种膜具有特定的孔径范围，通常在0.1纳米到1纳米之间，介于超滤膜和反渗透膜之间。纳滤膜逆渗透通过分子级别的选择性过滤，可以有效去除水中的离子、有机化合物和大部分微生物，同时保留水分子和一些小分子溶质。
超滤膜逆渗透
超滤逆渗透（Ultrafiltration Reverse Osmosis）也是一种膜分离技术，使用的是孔径较大的膜。超滤膜的孔径通常在0.01微米到0.1微米之间，比纳滤膜略小。它可以有效去除水中的胶体、大分子有机物、细菌和病毒等物质，同时保留水分子和一些小分子溶质。
按组合方式
逆渗透法作为一种分离、浓缩和提纯方法，其流程是根据逆渗透的设计依据确定的。常见的流程形式包括一级一段、一级多段、两级一段、多级循环等几种形式。
一级一段法
这种方法中，料液进入膜组件后，浓缩和产水被连续引出，但水的回收率相对较低，因此在工业应用中使用较少。另一种形式是一级一段循环式工艺，其中一部分浓水被返回至料液槽，从而使浓缩液的浓度不断提高，虽然产水量较大，但产水的水质会下降。
一级多段法
当采用逆渗透作为浓缩过程时，如果一次浓缩无法满足要求，可以采用多步浓缩的方式。这种方式通过多次逆渗透操作，使浓缩液的体积减小，浓度提高，从而相应增加产水量。
两级一段法
当一级逆渗透无法满足要求时，可以采取分为两步进行的方法。如果膜的除盐率较低而水的渗透性较高，那么采用两级逆渗透比较经济。同时，在低压低浓度下运行时，可以提高膜的使用寿命。
多级循环
在这种流程中，将第一级逆渗透液作为第二级料液，第二级透液再作为下一级料液，通过几个级别的循环淡化，可以生产出较为纯净的淡水。在选择这种流程时，需要考虑装置的整体寿命、设备费用、维护管理和技术可靠性。例如，如果需要将高压的一级流程改为两级，就有可能在低压下运行，这对膜、装置、密封和水泵等方面都有益处。
关键技术
逆渗透技术的关键在于渗透膜的组合和安装方式，它决定了逆渗透过程中的膜通量、脱盐率和透盐率等。在逆渗透技术中，有几种常见的渗透膜组合方式，包括板框式、管式、尾旋卷式和中空纤维式。
板框式装置
板框式逆渗透装置类似于板框压滤机。该装置由多块圆形多孔透水板叠放而成，透水板的两面覆盖有逆渗透膜，而透水板外环则通过胶黏剂与膜进行密封。装置的外环由“O”形密封圈提供支撑，形成一个压力容器。高压水从上至下通过每块透水板，而净化水从每块透水板引出。但是板框式逆渗透装置也存在一些缺点，该装置的液流状态相对较差，容易导致浓差极化现象，从而影响逆渗透效果。此外，板框式逆渗透装置相对于其他类型的逆渗透装置而言，设备费用较高。
管式装置
管式逆渗透装置是一种将膜和支撑物制成管状，并按一定方式连接成一体的装置。它可以分为单管式和管束式、内压型和外压型等形式。装置中的管径一般为0.6~2.5厘米，常用材料包括多孔性玻璃钢环氧胶增强管、多孔陶瓷管、钻有小孔眼或具有水收集沟槽的增强塑料管以及不锈钢管等。
管式装置水力条件好的优点，适当调节水流状态可防止浓差极化和膜污染，能够处理含悬浮固体的溶液，但单位体积中膜面积小，制造和安装费用较高。
螺旋卷式装置
螺旋卷式装置的膜组件是在两层膜中间夹一层多孔的柔性支撑网，并将它们的三边黏合密封起来。再在下面铺设一层供废水通过的多孔透水格网，然后将另一开放边与一根多孔集水管密封连接，使进水与净化水完全隔开。最后以集水管为轴将膜叶螺旋卷紧而成。将几个膜组件串联起来，装入圆筒形耐压容器中，便组成了螺旋卷式逆渗透装置。这种装置具有膜堆密度大，结构紧凑的优点，但密封较困难，容易堵塞，且清洗不方便。
中空纤维式装置
中空纤维膜是一种细如头发的空心管，由制膜液进行空心纺丝而成。纤维的外径为50~100μm，内径为25~42μm。将数十万根中空纤维膜捆成膜束，弯曲成“U”字形，并装入耐压圆筒容器中。同时，将纤维膜的开口端固定在环氧树脂管板上，就可以组成逆渗透器。原水以高压通入纤维膜的外侧，而净化水则从纤维管中引出。这种装置的中空纤维密度很高，不需要膜支撑材料，浓差极化可以忽略不计。然而，该装置的制作工艺技术较为复杂，容易发生堵塞，并且清洗不太方便。
技术参数
渗透压
当溶液与纯溶剂被分隔在半透膜两侧时，由于溶质在溶液中存在，会导致溶液的渗透性与纯溶剂不同。溶液在通过半透膜时，需要施加足够的压力使得溶剂能够逆着自然渗透的方向通过膜，这个压力就是渗透压。
根据渗透平衡的基本热力学理论，溶液的渗透压和溶剂（水）的活度的关系式为：
式中，T——体系开尔文，K；
——气体常数，J/（mol·K）；
——水的活度系数；
——水的摩尔分数；
——与水溶液相平衡水的蒸气压，MPa；
——纯溶剂水的蒸汽压，MPa。
上式表明，渗透压与溶液的性质有关，根据溶液的渗透压可以计算逆渗透所需的压力。举例来说，对于海水逆渗透系统而言，通常需要施加的压力是平衡渗透压的4到20倍。这意味着逆渗透系统需要施加足够大的压力，以克服海水的渗透压，使得水分子逆向通过半透膜，从而实现海水的净化和淡化。
脱盐率、透盐率
在逆渗透技术中，脱盐率是用于评估逆渗透系统去除水中溶解性离子的效果的重要参数。它表示逆渗透系统能够从进水中去除的溶解性离子的百分比。
脱盐率是通过比较进水（原水）中的离子浓度与产水（净水）中离子浓度之间的差异来计算的。一般情况下，脱盐率越高，系统去除离子的效果越好，产生的水质越纯净。逆渗透系统利用半透膜过滤原理，通过施加一定的压力使水分子通过半透膜，而离子、溶解物质、细菌和病毒等较大分子则被滞留在膜的另一侧。这样，逆渗透系统可以有效地去除水中的盐类、重金属、有机化合物等溶解性离子。
脱盐率的计算公式为：
脱盐率（%）= （进水中离子浓度 - 产水中离子浓度）/ 进水中离子浓度 × 100%
透盐率表示逆渗透系统能够从进水中去除的盐类的百分比。透盐率是通过比较进水（原水）中的盐类浓度与产水（净水）中盐类浓度之间的差异来计算的。
透盐率的计算公式为：
透盐率（%）= （进水中盐类浓度 - 产水中盐类浓度）/ 进水中盐类浓度 × 100%
逆渗透系统的脱盐率和透盐率可以根据具体的应用需求和操作参数进行调节和优化。进水水质、逆渗透膜的选择和性能、操作压力以及水温等因素都会对脱盐率产生影响。进水中的溶解性离子浓度、悬浮物含量和有机物质含量会直接影响脱盐率和透盐率，高浓度的溶解性离子或有机物质可能降低脱盐效果。操作压力需要适中，过高或过低的压力都可能影响脱盐率，因为过高的压力可能导致膜的破损或过度堵塞，而过低的压力可能无法有效推动水分子通过膜孔。在实际应用中，根据具体需求进行调节和优化，并维护和保养逆渗透系统的设备和膜元件，可以确保脱盐率的稳定和高效。
膜通量
逆渗透中的膜通量是评估逆渗透系统处理水的能力的重要参数之一。它表示单位时间内通过逆渗透膜的水流量，通常以每平方米膜面积每小时处理的水量（LMH）来衡量。
膜通量的计算公式如下：
膜通量 = 产水流量 / 膜面积
逆渗透系统中的膜通量受到多个因素的影响。首先，逆渗透膜的选择和性能对膜通量有重要影响。高通量的逆渗透膜具有更高的水通透性，能够处理更大量的水。其次，操作压力也是影响膜通量的关键因素。适当的操作压力可以促进水分子通过膜孔，提高膜通量。然而，过高的压力可能导致膜的破损或过度堵塞，降低膜通量。
应用领域
逆渗透法在水处理领域具有广泛的应用，可用于海水淡化、苦咸水淡化、超纯水制备、城市供水处理、城市污水处理和利用，以及工业废水处理等方面。特别适用于工业废水处理，如电镀废水、造纸厂废水和化工废水的处理和净化等。
海水淡化
逆渗透技术通过使用透析膜将海水中的盐分和杂质去除，以产生淡水。2000年，在中国科技部重点科技攻关项目“日产汽车公司千吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下，先后在山东长岛和嵊泗县建成了10000t/d级的逆渗透海水淡化示范工程。该技术在海水淡化领域的应用已被广泛采纳，并取得了国际先进水平的各项技术经济指标。
纯水、超纯水制备
纯水和超纯水是现代工业中非常重要的原材料，在半导体、微电子、电力、化工、医药等领域得到广泛应用。自20世纪80年代以来，中国在纯水和超纯水制备系统中采用以逆渗透和离子交换为主导的工艺。相比于单一的离子交换工艺，逆渗透-离子交换工艺的造水成本约下降30%，酸碱消耗量节省约90%，并且树脂再生周期造水量提高约20倍。逆渗透膜法分离技术在纯水和超纯水制备中的先进性、经济效益和环境保护的社会效益已经在大量逆渗透工程的实际运行中得到证实。目前，逆渗透膜工艺在纯水和超纯水制备系统中的市场占有率已经超过95%。
废水资源化
废水资源化是中面临的重要问题。仅在中国，每年废水和污水排放量以18×10^8t的速度增加，工业废水和生活污水每天的排放量接近1.64×10^8t，其中大约80%未经处理直接排入水域。废水资源化的实施可以实现开发淡水资源和保护环境的双重目标。废水处理和海水淡化在装置和工艺技术上存在一定的相似性。逆渗透技术是废水处理中常用的一种方法，通过逆渗透膜可以去除废液中的铜、铅、汞、、、铬、银、、锌等离子，去除率可达90%—99%。
其他应用
在食品及饮料工业中，除了浓缩奶酪乳清、果汁饮料、蔬菜汁、槭树汁、咖啡和糖溶液之外，它还被用于许多其他食品和饮料的生产过程中。在乳制品行业中，逆渗透技术常被用于浓缩牛奶、酸奶和乳清蛋白，以去除多余的水分，增加产品的浓度和口感。在果汁和蔬菜汁的生产中，逆渗透膜被用于浓缩果汁，去除水分并保留果汁中的营养成分，从而增加产品的口感和浓度。逆渗透还被广泛应用于果葡糖浆和糖溶液的生产中。通过逆渗透膜的过滤作用，可以将糖溶液中的水分去除，从而得到高浓度的糖浆，用于制作糖果、饼干和其他糕点产品。
逆渗透膜的污染与清洗
污染原因
在逆渗透运行中，膜污染是常见的故障之一。当污染轻微时，对膜性能和操作没有太大影响；然而，如果污染严重，不仅会降低膜性能，还会极大地影响膜的使用寿命。导致膜污染的原因大致可以分为三类：
清洗方法
逆渗透污染膜的清洗方法包括物理清洗法和化学清洗法。
物理清洗法
物理清洗法是使用淡水冲洗逆渗透膜面的方法，也可以使用预处理后的原水代替淡水，或者使用空气与淡水混合液进行冲洗。在0.3MPa的压力下，冲洗膜面30分钟，可以清除膜面上的污垢。对于管式逆渗透膜组件，可以使用直径稍大于管径的聚氨酯海绵瑞球来刷洗膜面，这样可以有效去除膜面上的柔软有机性污垢。
化学清洗法
化学清洗法是采用一定的化学清洗剂，在一定的压力下进行一次冲洗或循环冲洗逆渗透膜面。常用的化学清洗剂包括硝酸、磷酸、柠檬酸、柠檬酸铵、盐酸、氢氧化钠和酶洗洁精等。化学清洗剂的酸度、碱度和冲洗温度应控制在适当范围内，以防对逆渗透膜造成损害。当清洗剂浓度较高时，冲洗时间可以较短；而浓度较低时，相应的冲洗时间会延长。
此外，还可以利用渗透作用来清洗逆渗透膜面。方法是将高浓度溶液，其渗透压较高，浸泡在受污染的膜面上，使其与除盐水的另一侧表面接触。由于水会向高浓度溶液一侧渗透，这会导致侵入膜内细孔或吸附在膜表面的污染物变得更容易去除，从而改善后续采用的物理或化学清洗方法的效果。
发展趋势
逆渗透技术的发展趋势是一个持续不断的改进和创新过程。逆渗透技术在多个方面取得了进展。逆渗透技术的发展趋势可以分为以下几个方面。
逆渗透膜性能再提高
通过改进膜材料和结构设计，逆渗透膜的通量和截留率得到了显著提高，使得逆渗透技术在水处理领域更加高效和可行。例如，通过优化膜材料的孔径和结构，改善了水分子的通过能力，从而提高了逆渗透膜的通量和截留率，使得逆渗透技术在水处理领域更加高效和可行。
技术应用领域再扩大
除了传统的海水淡化，逆渗透技术也被广泛应用于饮用水处理、废水处理和工业用水处理等领域。逆渗透技术在解决淡水资源短缺和水污染等问题方面具有广泛的应用前景。
新兴技术融入应用
逆渗透技术的性能和效率不断得到改进，其中前驱体反应法、纳米孔膜和碳纳米管膜等新型膜材料和技术发挥着重要的作用。前驱体反应法是一种制备逆渗透膜的方法，通过引入适当的反应物使膜材料在适当条件下发生反应并形成膜结构。这种方法能够精确控制膜材料的孔隙度和结构，从而调节逆渗透膜的性能。