标题：反渗透膜
简介
是实现反渗透的核心元件，是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜。一般用高分子材料制成。如醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。表面微孔的直径一般在0.5～10nm之间，透过性的大小与膜本身的化学结构有关。有的高分子材料对盐的排斥性好，而水的透过速度并不好。有的高分子材料化学结构具有较多亲水基团，因而水的透过速度相对较快。因此一种满意的反渗透膜应具有适当的渗透量或脱盐率。
反渗透膜应具有以下特征：（1）在高流速下应具有高效脱盐率；（2）具有较高机械强度和使用寿命；（3）能在较低操作压力下发挥功能；（4）能耐受化学或生化作用的影响；（5）受pH值、温度等因素影响较小；（6）制膜原料来源容易，加工简便，成本低廉。
反渗透膜的结构，有非对称膜和均相膜两类。当前使用的膜材料主要为醋酸纤维素和芳香聚酰胺类。其组件有中空纤维式、卷式、板框式和管式。可用于分离、浓缩、纯化等化工单元操作，主要用于纯水制备和水处理行业中。
原理：反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，在高压侧得到卤水。　反渗透时，溶剂的渗透速率即液流能量N为：　N=Kh（Δp－Δπ) 　式中Kh为水力渗透系数，它随温度升高稍有增大；Δp为膜两侧的静压差；Δπ为膜两侧溶液的渗透压差。稀溶液的渗透压π为：　π=iCRT　式中i为溶质分子电离生成的离子数；C为溶质的摩尔浓度；R为摩尔气体常数；T为绝对温度。　反渗透通常使用非对称膜和复合膜。反渗透所用的设备，主要是中空纤维式或卷式的膜分离设备。　反渗透膜能截留水中的各种无机离子、胶体物质和大分子溶质，从而取得净制的水。也可用于大分子有机物溶液的预浓缩。由于反渗透过程简单，能耗低，近20年来得到迅速发展。现已大规模应用于海水和苦咸水（见卤水）淡化、锅炉用水软化和废水处理，并与离子交换结合制取高纯水，其应用范围正在扩大，已开始用于乳品、果汁的浓缩以及生化和生物制剂的分离和浓缩方面。
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，同时允许水分子通过。[1]
材料
反渗透膜(16张)根据脱盐的需要，经过大量的研究试验，从大量的高分子材料中筛选出了醋酸纤维素（CA）和芳香聚酰胺两大类膜材料。
此外，复合膜的表皮层还用到了其他一些特殊材料。[1]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素，再加工成反渗透膜。聚酰胺聚酰胺包括脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺两大类。20世纪70年代应用的主要是脂肪族聚酰胺，如尼龙—4、尼龙—6和尼龙—66膜；目前使用最多的是芳香族聚酰胺膜。膜材料为芳香族聚酰胺、芳香族聚酰胺—酰肼以及一些含氮芳香聚合物。
芳香族聚酰胺膜适应的pH范围可以宽到2~11，但对水中的游离氯很敏感。复合膜复合膜的特征是主要由以上两种材料制成，它是以很薄的致密层和多孔支撑层复合而成。多孔支撑层又称基膜，起增强机械强度的作用；致密层也称表皮层，起脱盐作用，故又称脱盐层。脱盐层厚度一般为50nm，最薄的为30nm。
由单一材料制成的非对称膜有下列不足之处：
1、致密层和支持层之间存在被压密的过渡层。
2、表皮层厚度最薄极限为100nm，很难通过减小膜厚度降低推动压力。
3、脱盐率与透水速度相互制约，因为同种材料很难兼具脱盐和支撑两者均优。
复合膜很好地解决了上述问题，它可以分别针对致密层和支持层的要求选择脱盐性能好的材料和机械强度高的材料。从而复合膜的致密层可以做得很薄，有利于降低拖动压力；同时消除了过渡区，抗压密性能好。
基膜的材料以聚砜最为普遍，其次为聚丙烯和聚丙烯腈。因为聚砜价廉易得，制膜简单，机械强度好，抗压密性能好，化学性能稳定，无毒，能抗生物降解。
为进一步增强多孔支撑层的强度，常用聚酯无纺布。
脱盐层的材料主要为芳香聚酰胺。此外还有哌嗪酰胺、丙烯-烷基聚酰胺与缩合尿素、糠醇与三羟乙基异氰酸酯、间苯二胺与均苯三甲酰氯等。
工作原理
对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜，一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜称之为理想半透膜。当把相同体积的稀溶液(例如淡水)和浓溶液(例如盐水)分别置于半透膜的两侧时，稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动，这一现象称为渗透。当渗透达到平衡时，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压。渗透压的大小取决于溶液的固有性质，即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。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，其中最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、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。
性能指标
脱盐率脱盐率=（1–产水含盐量/进水含盐量）×100%
膜元件的脱盐率在其制造成形时就已确定，脱盐率的高低取决于膜元件表面超薄脱盐层的致密度，脱盐层越致密脱盐率越高，同时产水量越低。反渗透对不同物质的脱盐率主要由物质的结构和分子量决定，对高价离子及复杂单价离子的脱盐率可以超过99%，对单价离子如：钠离子、钾离子、氯离子的脱盐率稍低，但也可超过了98%（膜使用时间越长，化学清洗次数越多，反渗透膜脱盐率越低。）；对分子量大于100的有机物脱除率也可过到98%，但对分子量小于100的有机物脱除率较低。透过速度水通量——指反渗透系统的产水能力，即单位时间内透过膜水量，通常用吨/小时或加仑/天来表示。
盐透过速度——在单位时间、单位膜面积上透过的盐量，也叫透盐率、盐通量。回收率回收率——指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分比。依据预处理的进水水质及用水要求而定的。膜系统的回收率在设计时就已经确定，
回收率=（产水流量/进水流量）×100%
影响因素
1、　进水压力对反渗透膜的影响
进水压力本身并不会影响盐透过量，但是进水压力升高使得驱动反渗透的净压力升高，使得产水量加大，同时盐透过量几乎不变，增加的产水量稀释了透过膜的盐分，降低了透盐率，提高脱盐率。当进水压力超过一定值时，由于过高的回收率，加大了浓差极化，又会导致盐透过量增加，抵消了增加的产水量，使得脱盐率不再增加。
2、　进水温度对反渗透膜的影响
反渗透膜产水电导对进水水温的变化十分敏感，随着水温的增加水对通量也线性的增加，进水水温每升高1℃，产水量就2.5%-3.0%;(以25℃为标准)
3、　进水PH值对反渗透膜的影响
进水PH值对产水量几乎没有影响，面对脱盐率有较大影响。PH值在7.5-8.5之间，脱盐率达到最高。
4、　进水盐浓度对反渗透膜的影响
渗透压是水中所含盐分或有机物浓度的函数，进水含盐量越高，浓度差也越大，透盐率上升，从而导致脱盐率下降。
研究历史
反渗透装置结构紧凑、安装简单、操作简便、能耗低，在常温下操作，易于工业化生产。
80年代发明的复合膜，由超薄反渗透膜、多孔支撑层、织物增强自叠加而成，透水量极大，除盐率高达99%，是理想的反渗透膜。反渗透膜在分离小分子有机化合物时也特别有效，因此对有机化工、酿造工业、三废处理等领域也得到了很好的应用。
在21世纪以前，反渗透膜技术都是被国外所垄断，而中国是直到90年代末期才开始掌握了反渗透膜的生产技术．这个历史要追述到建国初期，当时我们国家的领导人已经意识到海水淡化的前景和将来在社会中的作用。
早在1958年，石松研究员等首先在中国开展离子交换膜电渗析海水淡化研究。而在此前1953年美国C.E.Reid建议美国内务部将反渗透研究列入国家计划。
随后1967年，国家科委组织全国海水淡化会战，组织全国在水处理和分析化学、材料化学、流体力学等各个学科的精英会战海水淡化。
1970年，会战主力汇集中国浙江省的杭州市，组织了全国第一个海水淡化研究室。此期间，他们一直用电渗析技术进行海水淡化，研制成功海洋监测专用微孔滤膜，建成了世界最大的电渗析海水淡化站——西沙永兴岛海水淡化站。一度在海水淡化方面成为世界领军人物。
1982年，中国海水淡化与水再利用学会经中国科协学会部批准在杭州成立。但是，因为经历了十年浩劫，毕竟还是衰弱下去了，此时，远在大洋彼岸的美国的全芳香族聚酰胺复合膜及其卷式元件已经赫然问世。
1984年，国家海洋局以海水淡化研究室为主体，组建国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心，中国开始对膜技术重视了，但是，美国海水淡化用复合膜及其卷式元件已经大面积商业化了，投入到了国家和民用中去了。
1992年，国家为了追赶膜方面技术与世界的差距，，国家科委军顶，以“中心”为依托，组建国家液体分离膜工程技术研究中心，并开始悄悄研制国产反渗透膜。
直到2001年，“中心”实行集团化分体管理，所辖三个控股的中外合资公司，两个中资公司和一个研发中心。
同年，杭州北斗星膜制品有限公司正式公开问世，从此，中国有了自己的反渗透膜产品，享有完全自主知识产权、由中国制造、具有民族品牌的高性能复合膜元件开始投放市场，中国成为世界上第四个掌握自主反渗透膜技术的国家。而杭州水处理下的杭州北斗星膜制品有限公司也成为全球八家自主反渗透膜生产厂家之一..
保养
随着净水设备在水处理行业的广泛应用，反渗透膜也渐渐的被人重视。反渗透膜的成本是消费者最关心的问题之一，良好的保养，有助于延长反渗透膜的使用寿命。
设备试机完后，我们两种方法保护反渗透膜。设备试机运行两天（15～24h），然后采用2%的甲醛溶液保养；或运行2～6h后，用1%的NaHSO3的水溶液进行保养反渗透膜（应排尽设备管路中的空气，保证设备不漏，关闭所有的进出口阀）。两种方法均可得到满意的效果，第一种方法成本高些，在闲置时间长时使用，第二种保养反渗透膜的方法在闲置时间较短时使用。
清洗步骤
供水、工艺水的处理(分离、浓缩、分级和纯化)
在各工业生产过程中，往往有分离、浓缩、分级和纯化某种水溶液的需求。传统用的方法是沉淀、过滤、加热、冷冻、蒸馏、萃取和结晶等过程。这些方法表现出流程长、耗能多、物料损失多、设备庞大、效率低、操作繁琐等缺点，以超滤膜技术取代某种传统技术可以获得显著的经济效益。[1]
反渗透系统最终是需要进行清洗的，在你的RO系统表现出污染的倾向、长时间停运之前、或按计划进行常规保养时，建议你清洗RO系统。当出现下列污染特征（标准化后产水量下降10~15%，标准化后产水水质下降10~15%，或者给水与浓水间的压降增加10~15%）时，表明你的RO系统需要清洗了。
由于RO系统出现污垢而需要清洗的频率随地点的不同而不同，一般习惯上可接受的清洗频率是3~12个月一次。如果每个月你不得不清洗一次以上，你就应该改善RO的预处理系统，调整RO系统的运行参数，如果每1~3个月需要清洗一次，则需要在提高当前设备的运行水平上做工作，但是否需要改进预处理系统较难判断。
在RO设计中通常会忽视使用RO产品水冲洗系统中的污垢，采用该法可减少RO的清洗次数。在设备停运期间用产品水浸泡RO膜组件有助于溶解垢和松散沉积物，因此降低化学清洗频度。
污垢地点不同所需要清洗掉的污垢物也不同，但往往存在的污染物不止一种，因此使问题复杂化，常见的污染物种类有：
· 碳酸钙垢
· 硫酸钙、 硫酸钡、硫酸锶垢
· 铁、锰、铝等的金属氧化物  · 二氧化硅
· 胶体沉积物（无机或无机/有机混合物）
· 自然或合成有机物
· 生物质（生物污泥、霉菌或真菌）
有许多因素与选择合适的清洗化学药品和正确的清洗方法有关。在你头一次进行清洗时，建议与设备制造商、RO膜组件制造商、RO系统专用药品供应商联系。一旦辨明污染种类后，建议采用一种或多种清洗药品。这些药品可能是常规的，可以从许多供应商那里买到，也可能是专用清洗液，这种专用清洗液可能更贵一些，但是使用时会更简便，并且这些公司还具有提供技术支持优点。还有一些公司可能提供更有价值的服务；他们把从你的系统中取出的膜组件带回进行试验，从而选择正确的清洗药品和方法。
通常需按特定的次序使用各种不同的清洗药品进行清洗，以获得最佳的清洗效果。比如首先使用低pH值的清洗除去水垢一类的物质，然后使用一种高pH值的清洗液除去有机物。但是有时也会首先使用高pH值的清洗液除去油类污垢，然后再使用一种低pH值的清洗液。有一些清洗液中还添加有洗涤剂，这将有助于清除污染严重的生物和有机杂质。其它的清洗添加有象EDTA之类的螯合剂，这些螯合剂有助于清除胶体、有机物、生物杂质和硫酸盐垢。必须记住的是选用不正确的清洗药品或清洗步骤不正确时可能会使污堵更严重。
在选择清洗药品和使用复合聚酰胺膜时有一些注意事项：
· 遵守制造商建议的药品选择清单、剂量、pH值、温度和接触时间。
· 使用侵蚀性最小的药品完成清洗工作。这些做会延长膜的使用寿命。
· 在调节pH值时，一定要审慎以延长膜的使用寿命。药品侵蚀性较小的pH值范围是4~10，允许的最大pH值范围是2~12。
· 酸和碱不要混合。在加入下一种溶液之前，彻底冲洗系统以排尽上一次的清洗液。
· 用高pH值的产水冲洗出洗涤剂。
· 确认遵守正确的清洗液处理要求。
延长膜的寿命
1　清洗不及时与清洗方法不正确导致的膜性能的损坏
设备在使用过程中，除了性能的正常衰减外，由于污染而引起设备性能的衰减更为严重。通常的污染主要有化学垢，有机物及胶体污染，微生物污染等。不同的污染表现出的症状是不同的。不同的膜公司所提出的膜污染的症状也是有一定的差异。
在工程中我们发现，污染时间的长短不一样，其症状也不一样。如：膜发生碳酸钙垢污染，污染时间为一个星期时，主要表现为脱盐率的迅速下降，压差缓慢增大，而产水量变化不明显，用柠檬酸清洗能完全恢复性能。污染时间为一年(某纯水机)，盐通量由最初的2mg/L上升为37mg/L(原水为140mg/L～160mg/L)，产水量由230L/h下降为50L/h，用柠檬酸清洗后，盐通量降为7mg/L，产水量上升至210L/h。
再者污染往往不是单一的，其表现的症状也有一定的差别，使得污染的鉴别更困难。
鉴别污染类型要综合原水水质，设计参数，污染指数，运行记录，设备性能变化及微生物指标等加以判断：
防止超滤RO膜性能的损坏
新的反渗透膜元件通常浸润1%NaHSO3和18%的甘油水溶液后贮存在密封的塑料袋中。在塑料袋不破的情况下，贮存1年左右，也不会影响其寿命和性能。当塑料袋开口后，应尽快使用，以免因NaHSO3在空气中氧化，对元件产生不良影响。因此膜应尽量在使用前开封。
设备试机完后，我们采用过两种方法保护膜。设备试机运行两天(15～24h)，然后采用2%的甲醛溶液保养;或运行2～6h后，用1%的NaHSO3的水溶液进行保养(应排尽设备管路中的空气，保证设备不漏，关闭所有的进出口阀)。两种方法均可得到满意的效果。第一种方法成本高些，在闲置时间长时使用，第二种方法在闲置时间较短时使用。
在确定了污染的类型后，可按表1中的方法清洗，然后消毒使用。在不能确定污染的类型时，通常采用清洗(3)+消毒+0.1%HCl(pH为3)的步骤清洗。作者采用清洗液(1)+清洗液(3)+消毒的步骤效果亦很好。
2　设备的操作不当引起膜性能的损坏
1　设备中有残余气体在高压下运行，形成气锤会损坏膜
常有两种情况发生：A、设备排空后，重新运行时，气体没有排尽就快速升压运行。应在2～4bar的压力下将余下的空气排尽后，再逐步升压运行。B、在预处理设备与高压泵之间的接头密封不好或漏水时(尤其是微滤器及其后的管路漏水)当预处理供水不很足时，如微滤发生堵塞，在密封不好的地方由于真空会吸进部分空气。应清洗或更换微滤器，保证管路不漏。总之，应在流量计中没有气泡的情况下逐步升压运行，运行中发现气泡应逐渐降压检查原因。
2　关机时的方法不正确
A、关机时快速降压没有进行彻底冲洗。由于膜浓水侧的无机盐的浓度高于原水，易结垢而污染膜。B、用投加化学试剂的预处理水冲洗。因含化学试剂的水在设备停运期间可能引起膜污染。
在准备关机时，应停止投加化学试剂，逐步降压至3bar左右用预处理好的水冲洗10min，直至浓缩水的TDS与原水的TDS很接近为止。
3　消毒和保养不力导致微生物的污染
这是复合聚酰胺膜使用中普遍存在的问题，因为聚酰胺膜耐余氯性差，在使用中没有正确投加氯等消毒剂，加上用户对微生物的预防重视不够，容易导致微生物的污染。许多厂家生产的纯水微生物超标，就是消毒、保养不力造成的。
主要表现为：出厂时，反渗透设备没有采用消毒液保养;设备安装好后没有对整个管路和预处理设备消毒;间断运行不采取消毒和保养措施;没有定期对预处理设备和反渗透设备消毒;保养液失效或浓度不够。[1]
反渗透膜寿命
设备在使用过程中，除了性能的正常衰减外，由于污染而引起设备性能的衰减更为严重。通常的污染主要有化学垢，有机物及胶体污染，微生物污染等。不同的污染表现出的症状是不同的。不同的膜公司所提出的膜污染的症状也是有一定的差异。
在工程中我们发现，污染时间的长短不一样，其症状也不一样。如：膜发生碳酸钙垢污染，污染时间为一个星期时，主要表现为脱盐率的迅速下降，压差缓慢增大，而产水量变化不明显，用柠檬酸清洗能完全恢复性能。污染时间为一年(某纯水机)，盐通量由最初的2mg/L上升为37mg/L(原水为140mg/L～160mg/L)，产水量由230L/h下降为50L/h，用柠檬酸清洗后，盐通量降为7mg/L，产水量上升至210L/h。
再者污染往往不是单一的，其表现的症状也有一定的差别，使得污染的鉴别更困难。
鉴别污染类型要综合原水水质，设计参数，污染指数，运行记录，设备性能变化及微生物指标等加以判断：
(1)胶体污染：发生胶体污染时，通常伴随着以下两个特性：A、前处理中微滤器堵塞得很快，尤其是压差增大很快，B、SDI值通常在2.5以上。
(2)微生物污染：发生微生物污染时，RO设备的透过水和浓缩水中的细菌总数都比较高，平时一定没有按要求进行保养和消毒。
防止超滤RO膜性能的损坏
新的反渗透膜元件通常浸润1%NaHSO3和18%的甘油水溶液后贮存在密封的塑料袋中。在塑料袋不破的情况下，贮存1年左右，也不会影响其寿命和性能。当塑料袋开口后，应尽快使用，以免因NaHSO3在空气中氧化，对元件产生不良影响。因此膜应尽量在使用前开封。
设备试机完后，我们采用过两种方法保护膜。设备试机运行两天(15～24h)，然后采用2%的甲醛溶液保养;或运行2～6h后，用1%的NaHSO3的水溶液进行保养(应排尽设备管路中的空气，保证设备不漏，关闭所有的进出口阀)。两种方法均可得到满意的效果。第一种方法成本高些，在闲置时间长时使用，第二种方法在闲置时间较短时使用。
(3)钙垢：可依据原水水质及设计参数进行判断。对碳酸盐型水而言，如果回收率为75%时，设计时投加了阻垢剂，浓缩液的LSI应小于1;不投加阻垢剂时浓缩液的LSI应小于零，一般不会产生钙垢。
(4)可用1/4英寸的PVC塑料管插入组件中测试组件不同部位的性能变化进行判断。
(5)根据设备性能的变化判断污染的类型。
(6)可用酸洗(如柠檬酸、稀HNO3)，根据清洗的效果和清洗液判断钙垢，通过清洗液成分分析进一步证实。
(7)对清洗液进行化学分析：取原水、清洗原液、清洗液，三个样分析。
在确定了污染的类型后，可按表1中的方法清洗，然后消毒使用。在不能确定污染的类型时，通常采用清洗(3)+消毒+0.1%HCl(pH为3)的步骤清洗。[1]