反渗透基础知识-刘建峰

反渗透膜基础知识制作人：产品开发二部刘建锋日期：2012年2月20日1膜法分离过程分类反渗透技术发展历史及应用领域反渗透原理反渗透膜的种类反渗透膜的技术术语及性能RO技术的发展趋势及市场2膜法分离过程分类膜法液体分离技术一般可分为四类：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)，它们的过滤精度按照以上顺序越来越高。微滤能截留0.1～1微米之间的颗粒，微滤膜允许大分子有机物和溶解性固体(无机盐)等通过，但能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体的透过，微滤膜两侧的运行压差(有效推动力)一般为0.7bar。头发丝0.05—0.1mm。超滤能截留0.002～0.1微米之间的颗粒和杂质，超滤膜允许小分子物质和溶解性固体(无机盐)等通过，但将有效阻挡住胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表征超滤膜的切割分子量一般介于1,000～100,000之间超滤膜两侧的运行压差一般为1～7bar。3膜法分离过程分类4纳滤是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，它因能截留物质的大小约为1纳米(0.001微米)而得名，纳滤的操作区间介于超滤和反渗透之间，它截留有机物的分子量大约为200～400左右，截留溶解性盐的能力为20～98％之间，对单价阴离子盐溶液的脱除率低于高价阴离子盐溶液，如氯化钠及氯化钙的脱除率为20～80％，而硫酸镁及硫酸钠的脱除率为90～98％。纳滤膜一般用于去除地表水的有机物和色度，脱除井水的硬度及放射性镭，部分去除溶解性盐，浓缩食品以及分离药品中的有用物质等，纳滤膜两侧运行压差一般为3.5～16bar。反渗透是最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100的有机物，但允许水分子透过，醋酸纤维素反渗透膜脱盐率一般可大于95％，反渗透复合膜脱盐率一般大于98％。它们广泛用于海水及苦咸水淡化，锅炉给水、工业纯水及电子级超纯水制备，饮用纯净水生产，废水处理及特种分离等过程，在离子交换前使用反渗透可大幅度地降低操作费用和废水排放量。反渗透膜两侧的运行压差当进水为苦咸水时一般大于5bar，当进水为海水时，一般低于84bar。按孔径分类的分离膜5膜法分离过程分类膜法分离过程分类6反渗透技术发展历史

71748年法国学者阿贝诺伦特(AbbleNellet)发现，水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象，证实了这种膜的渗透过程，并创造Osmosis一词来描述半透膜的这种现象。1911年，Donnan提出膜平衡的概念，后称Donnan理论，至今仍被用于解释半透膜和离子交换膜的选择透过性。1960年洛布(Loeb)和索里拉金(Sourirajan)制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤维素膜，为反渗透分离技术奠定了基础。1970年杜邦研制出以芳香聚酰胺为膜材料的中空纤维膜组件，并获得1971年美国柯克帕特里克(Kirkpatfiek)化学工程最高奖。1953年，C.E.Reid建议美国内务部，把反渗透的研究纳入国家计划。1956年，S.T.Yuster提出从膜表面撇出所吸附的纯水作为脱盐过程的可能性。1980年全芳香族聚酰胺复合膜及其卷式元件问世。8反渗透技术应用领域反渗透膜广泛应用于家庭饮用纯水、食品饮料、医疗制药、市政供水处理、工业用高纯水、锅炉补水、海水淡化、电子行业超纯水、废水处理与回用及物料浓缩提纯等多种行业。9渗透

半透膜：只让溶剂通过而不让溶质通过的膜。渗透：是指稀溶液一侧中的溶剂（水分子）自发地透过半透膜进入浓溶液一侧，溶剂流动的现象。渗透压：溶液在自然渗透的过程中，浓溶液侧液面不断升压，稀溶液侧液面相应降低，直到两侧形成的水柱压力抵消了溶剂分子的迁移，溶液两侧的液面不再变化，渗透达到平衡，此时的液柱差称为该溶液的渗透压。反渗透常用概念反渗透基本原理10渗透压一般来说渗透压的大小，取决于溶液的种类、浓度和温度，而与半透膜本身无关，通常可用下式来计算渗透压：

=CRT

—渗透压，大气压C—浓度差，摩尔/升R—气体常数，等于0.08206升*大气压/摩尔*KT—绝对温度，单位KT（K）=273.15+t(℃)。上式是应用热力学公式推导出来的，因此只对稀溶液才是准确的。C为水中离子浓度，若为非电解质则为分子的浓度。反渗透常用概念反渗透基本原理11反渗透

反渗透:反渗透又称逆渗透，是用足够的压力使溶液中的溶剂（一般常指水）通过反渗透膜（一种半透膜）而分离出来，方向与渗透方向相反，可使用大于渗透压的反渗透法进行分离、提纯和浓缩溶液的一种方法。反渗透膜过滤精度:反渗透膜能截留大于0.0001微米的物质，是最精细的一种膜分离产品，其能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物.(水的分子量18，水分子能透过。）利用反渗透技术可以有效的去除水中的溶解盐、胶体，细菌、病毒、细菌内毒素和大部分有机物等杂质。

反渗透基本原理反渗透常用概念12反渗透基本原理反渗膜过水原理图（家用）13反渗透基本原理反渗膜剖析图片（外观）此处进水止水带粘胶世韩LOGO防渗环（密封圈）14反渗透基本原理反渗膜剖析图片（内部）集水管RO膜表面15反渗透基本原理反渗膜过水原理图（工业）16反渗透膜结构示意图反渗透基本原理17反渗透膜结构示意图超薄脱盐层(约:2000埃)刚性支撑层(约:50μm)支撑织物(约:110μm)1埃=0.1纳米=

10-10米

超薄层脱盐层：复合膜的关键部分，厚度约0.2μm，材质为高交联度的芳香聚酰胺。刚性支撑层，材质为微孔工程塑料聚砜，聚砜层表面的孔径大约在15nm。支撑织物：聚酯无纺织物，其表面无松散纤维且坚硬光滑，是“反渗透膜”的载体。反渗透基本原理18反渗透基本原理反渗透膜卷制图19反渗透基本原理反渗透膜卷制图20反渗透基本原理反渗透膜膜表面21反渗透膜的种类反渗透膜的种类多，分类方法也很多，但大体上可按膜材料的化学组成和膜材料的物理结构外型结构及来区分。类别膜材料举例纤维素酯类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素酯类聚酰(亚)胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺等按膜材料的化学组成大致可分为：醋酸纤维膜（CA膜）、芳香聚酰胺膜（PA膜）、复合膜及其他材料。22反渗透膜的种类按膜材料的物理结构大致可分为：非对称膜、复合膜等按外型来分：

结管式、平板式、中空纤维式及涡管式膜及膜组件23通常所说的膜性能是指膜的化学稳定性和膜的分离透过特性。膜的物化稳定性的主要指标有：膜材料、膜允许使用的最高压力、温度范围、适用的PH值范围以及对有机溶剂等化学药品的抵抗性，有时尚需说明对某些物质，如水中游离氯或氧化性物质的最高允许浓度。膜的分离透过性的主要指标是：脱盐率、产水率、流量衰减系数。反渗透膜的技术术语及性能24醋酸纤维素：醋酸纤维素又称乙酰纤维素或纤维素醋酸酯。常以含纤维素的棉花、木材等为原料，经过酯化和水解反应制成醋酸纤维。醋酸纤维素(CA)膜是由二醋酸纤维素和三醋酸纤维素的铸膜液及二者混合物浇铸而成。随着乙酰基含量的增加，盐截留率与化学稳定性增加而水通量下降。Loeb-Sourirajan不对称结构是使用一“医用刮刀”（“doctorblade”）把CA、乙醇或乙醚溶液浇铸在一多孔基片（如帆布）上，表面经空气干燥产生一薄皮层而形成。在较大孔层之上的致密表皮是由约0.2μm厚的薄层组成，膜的总厚度约100μm.该技术也可用于，膜的总厚度约100μm.该技术也可用于管状的和中空纤维状膜的浇铸。CA膜的化学稳定性差,在运转期间会发生水解,其水解速度与温度及pH条件有关。醋酸纤维素膜可在温度0～30℃及pH值4.0～6.5下连续操作。这些膜也会被生物侵蚀,但由于它们具有可连续暴露在低含氯量环境下的能力,故可以消除生物侵蚀。膜稳定性差的结果导致膜截留率随操作时间增长而下降。然而,这些材料的普及是由于它们具备广泛的来源和低廉的价格。反渗透膜的技术术语及性能反渗透膜材料:25芳香聚酰胺：不对称芳香聚酰胺（Aramid）膜(Richter和Hoehn1971)以中空纤维形式为所首创。这些纤维是由溶液纺丝而成。由控制纺丝液溶剂的蒸发在纤维外表面形成约0.1～1.0μm的致密表皮层。余下的纤维结构是约26μm厚的一层多孔支撑结构。盐的截流作用发生在致密层。为了进一步提高截留性能，当中空纤维膜用于苦咸水脱盐时，对膜采用聚乙烯基甲基醚(PT-A)进行后处理，用于海水脱盐则用PT-A与鞣酸（PT-A）作后处理。与纤维素膜相比，芳香聚酰胺膜的特点是具有优良的化学稳定性。它们能在温度0～30℃，pH4～11件连续操作，且不会被生物侵蚀。然而芳香聚酰胺膜中的酰胺基团易与氯反应，若连续暴露在含氯环境中，则易受氯侵蚀，因此，对他们处理的进料液进行脱氯是重要的，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。反渗透膜的技术术语及性能反渗透膜材料:26薄膜复合膜：美国内政部盐水局于年代中期基金资助的NorthStarResearch和DevelopmentInstitute（Minneapolis）的工作（Francis1966;Rozelle等1967）导致了薄膜复合膜的发展。UniversalOilProducts的的FluidSystemsDivision（Riley等1967）在70年代中期推出了它的商品（薄膜复合物）膜，而FilmTec公司在80年代初期推出了它的FT30复合膜(Cadotte等1980)。在这些膜结构中，超薄栅层在一多孔织物支撑体上的微孔聚砜表面上形成（即0.2μm厚）。该聚砜上的栅层是由聚酰胺或聚脲的"就地"界面聚合技术产生的。

薄膜复合膜的优点与它们的化学性质有关，其最主要的特点是有较大的化学稳定性，在中等压力下操作就具有高水通量和盐截留率及抗生物侵蚀。它们能在温度0～40℃及pH2～12间连续操作。像芳香聚酰胺一样，这些材料的抗氯及其他氧化物的性能差。反渗透膜的技术术语及性能反渗透膜材料:27复合膜的化学稳定性较好，而醋酸纤维膜将会发生水解。复合膜的生物稳定性好，复合膜不受生物侵袭，而醋酸纤维膜易受微生物的侵袭。复合膜的输性能好。即Kw大而KS小。复合膜在运行中不会被压紧，因此产水量不随使用时间改变；而醋酸纤维膜在运行中会被压紧，因而产水量下降。复合膜的脱盐率不随时间而改变；而醋酸纤维膜由于会发生水解，脱盐率将会不断下降。复合膜由于Kw大，其工作压力低，反渗透给水泵用电量是醋酸纤维膜给水泵用电量的一半。醋酸纤维膜的使用寿命一般仅为3年，而复合膜的使用寿命大于三年。复合膜的缺点为抗氯性较差，价格较贵。反渗透膜的技术术语及性能复合膜与醋酸纤维膜的性能比较:28反渗透膜的技术术语及性能膜的命名规则:沃顿RO膜的编号及规则HOR

1

2--80

40

L29反渗透膜的技术术语及性能膜的命名规则:世韩RO膜的编号及规则RE

80

40--BE

产品特性：第一位英文字母：B:苦咸水淡化用膜T:自来水净化用膜S：海水淡化用膜F：抗污染用膜第二位英文字母：N:普通膜面积T:增大膜面积S：高脱盐率膜L：低压用膜对于BL系列：BLN:普通脱盐率BLR:高脱盐率BLF：大通量对于NE系列：70:Nacl脱盐率60-70%。90:70:Nacl脱盐率60-70%。30反渗透膜的技术术语及性能膜使用条件:吉麒RO膜参数沃顿RO膜参数31反渗透膜的技术术语及性能膜使用条件:世韩RO膜参数32反渗透膜的技术术语及性能反渗透膜进水水质要求:33反渗透膜的技术术语及性能总溶解固体（TDS）：指有机和无机盐溶解在水中得出的浓度(单位:ppm或

mg/l)。流量：单位时间内流过的体积，常以每小时立方米数(m3/h)或每分钟加仑数表示(gpm)。通量：单位膜面积上透过液的流量，通常以每小时每平方米升数(L/m2h)或每天每平方英尺加仑数表示(gfd)。脱盐率：通过反渗透膜从系统进水中除去总可溶性的杂质浓度的百分率。透盐率：脱盐率的相反值，它是进水中溶解性的杂质成份透过膜的百分率。反渗膜的技术术语34膜性能表示法对于一张给定的膜，我们可以推导出产水量及盐透过量的计算公式：Qw=Kw(ΔP+Δπ)A/T式中：Qw—产水量Kw—系数ΔP—膜两侧的压差Δπ—渗透压A—膜面积T—膜厚度

Kw与膜性质及水温有关，Kw越大，说明膜的透水性能越好。Qs=Ks*ΔC*A/T式中：Qs—盐透过量

Ks—系数Δc—膜两侧盐浓度差A—膜面积T—膜厚度

Ks与膜性质、盐的种类及水温有关，Ks越小，说明膜的脱盐性能越好。从以上两式可以看出，对膜来说Kw大Ks小则膜质量较好。相同面积和厚度的产水量与净驱动压力成正比，盐透过量只与膜两侧溶液浓度成正比，而与压力无关。反渗透膜的技术术语及性能35物量平衡原理

反渗透膜的技术术语及性能Qf•Cf=Qc•Cc+Qp•Cp其中式中：

Qf—进水流量Cf—进水浓度Qc—浓水流量（俗称废水）Cc—浓水浓度（俗称废水）Qp—淡水流量（俗称纯水）Cp—淡水浓度（俗称纯水）在理想的情况下：

Cp=0从而上面公式：

Qf•Cf=Qc•Cc36典型脱除率（时代沃顿为列）反渗透膜的技术术语及性能溶质分子量脱除率（％）氟化钠4299氯化钠5899碳酸氢钠8499氯化镁9599硫酸镁120＞99硫酸铜160＞99甲醇3230异丙醇6090乳酸pH59099蔗糖34299溶质分子量脱除率（％）氰化钠4997二氧化硅6098硝酸钠8597氯化钙11199硫酸镍155＞99甲醛3040乙醇4670尿素6070葡萄糖18098含氯杀虫剂/＞99分子量越大，脱除率也越大。37影响反渗透性能的因素反渗透膜的技术术语及性能压力的影响水通量和脱除率是膜的本征特性，而膜系统的水通量和脱除率则主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值影响。本文将对这些关键术语给出定义并扼要介绍影响反渗透和纳滤膜性能的因素，如操作压力、温度、进水含盐量、产水回收率和系统pH值。图138影响反渗透性能的因素反渗透膜的技术术语及性能温度的影响温度变高，水的粘度降低，水的扩散性增加，产水量也随着温度上升而增加。在同一压力下，温度上升一摄氏度，产水量可增大3～4％。另一方面对于不同类型的膜，温度对于脱盐率率的影响的差别较大。一般来讲温度增高脱盐率降低。这是因为温度上升，盐的扩散速度就会增大的原因。（因各家膜的差异，温度与产水量的关系详见各家的温度与产水量的修正表。）图239影响反渗透性能的因素反渗透膜的技术术语及性能盐浓度的影响渗透压是水中所含盐分或有机物浓度和种类的函数，盐浓度增加，渗透压也增加，因此需要逆转自然渗透流动方向的进水驱动压力大小主要取决于进水中的含盐量。图3表明，如果压力保持恒定，含盐量越高，通量就越低，渗透压的增加抵销了进水推动力，同时如图3所示，水通量降低，增加了透过膜的盐通量.图340影响反渗透性能的因素反渗透膜的技术术语及性能PH的影响不同种类的膜元件适用的pH值范围差别较大，如醋酸纤维膜在pH值4～8的范围内产水通量和脱盐率趋于稳定，在pH值低于4或高于8的区间内，受影响较大。目前工业水处理使用的膜材料绝大多数为复合材料，适应的pH值范围较宽（连续运行情况下pH值可以控制在3～10的范围），在此范围内的膜通量和脱盐率相对稳定.而家用膜材料就要因不同的厂商来定。图441影响反渗透性能的因素反渗透膜的技术术语及性能回收率的影响在压力一定情况下，回收率增高，膜面的浓差极化比也提高，有效压力则减小，最终产水量减小。同时脱盐率也降低。和上面提到的流量的影响相同。膜系统回收率的限制来自于两个方面，一个是存在渗透压的影响，另外一个同原水水质也密相关。回收率增高时，溶解于溶液中的盐呈过饱和状态，会有盐及其它溶质析出在膜面沉淀、结垢的可能，会对膜性能带来很大的危害。图542影响反渗透性能的因素反渗透膜的技术术语及性能压力、温度、浓度对反渗透流量的影响增

加产水量透盐率有效压力温度回收率进水含盐量表示增加表示减少43RO技术的发展趋势权威专家认为谁掌握了膜谁就掌握了21世纪，“21世纪将是膜的世纪”指出了世界在面临新的技术变革，膜技术已经成为促进社会、经济及科技发展的举足轻重的技术。

关于RO膜技术的发展主要有下述诸方面：降低能耗，增加产水效率1）进一步降低能耗；2）提高海水RO膜的可靠性；3）研究低压膜和超低压膜。对膜污染~生物粘膜防止的研究对涡卷式RO组件的研究开发膜处理工艺系统（膜集成系统）的发展RO技术的发展趋势及市场44RO膜市场概况RO技术的发展趋势及市场45RO膜技术RO技术的发展趋势及市场膜片技术：HY≥DOW≥TORAY≥KOCH、GE、SAEHAN膜片具备：

1.脱盐率高；

2.比通量大，能耗低；

3.膜片化学结构稳定；

4.耐清洗性能优秀；组件技术：HY=DOW≥TORAY≥KOCH、GE、SAEHAN组件具备：

1.组件效率高，给水通道更宽，有效面积大；

2.元件连接稳定、抗系统冲击能力强；

3.低阻力格网，更少拦截污染物；

4.化学清洗效率高，效果更优；46RO膜企业概况RO技术的发展趋势及市场通用电气集团DESAL公司

母公司：通用电气集团GE；

成立时间：1890；

公司规模：世界500强前12位，最高排名3位；

子公司：GEwater(DESAL)

生产工厂：1个(美国)

品牌：GEwater、DESAL、OSMONICS、ZENON、BETZ、ECELL。RO膜概况：主要市场：果汁、茶饮料浓缩分离；海淡市场：全球份额不到1%；普通市场：份额不到5%。47RO膜企业概况RO技术的发展趋势及市场科氏工业集团KMS公司母公司：科氏工业集团(KOCH)；成立时间：1925年；主营业务：精炼化学品、化工过程和污染控制、矿物和肥料；子公司：流体公司(FLUIDSYSTEMS)/KOCHMEMBRANESYSTEM生产工厂：1个(美国)成立时间：1973；品牌：KOCH。RO膜概况：

主要市场：乳制品(牛奶)浓缩分离；

海淡市场：全球份额不到1%；

普通市场：份额不到5%。48RO膜企业概况RO技术的发展趋势及市场陶氏化学集团FILMTEC公司母公司：陶氏化学(DOWCHYMIC)；

成立时间：1897年；

主营业务：基础