逆滲透（Reverse osmosis）又稱反滲透，是利用壓力差進行膜分離的一種操作，也是將溶劑從溶液中分離出來的物理過程。預(yù)處理和膜分離是反滲透過程中的兩個主要步驟。根據(jù)不同的分類方法，反滲透可分為纖維素膜反滲透、非纖維素膜反滲透、納濾膜逆滲透、超濾膜反滲透和多級循環(huán)反滲透等。不同的反滲透技術(shù)有不同的應(yīng)用場景。反滲透技術(shù)廣泛應(yīng)用于水凈化、海水淡化、工業(yè)過程水處理和廢水回收等領(lǐng)域。這種技術(shù)可以通過施加高于溶質(zhì)的滲透壓來有效地從水中去除鹽、有機物、微生物和其他污染物，從而生產(chǎn)高純水。

1953年，美國佛羅里達大學(xué)的里德等人首次提出了反滲透海水淡化的概念。此后，反滲透技術(shù)經(jīng)歷了不斷的更新和發(fā)展。20世紀(jì)90年代，低壓反滲透復(fù)合膜問世，被認為是第三代反滲透膜，大大提高了膜的性能，為反滲透技術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊的前景。反滲透技術(shù)的發(fā)展是一個不斷改進和創(chuàng)新的過程。反滲透技術(shù)進一步提高了性能、擴大應(yīng)用領(lǐng)域并與其他新興技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展趨勢。

根據(jù)20世紀(jì)50年代末以來的研究，反滲透中的滲透機理受到了廣泛關(guān)注，并提出了多種不對稱反滲透滲透機理和模型。

氫鍵理論

氫鍵理論由Reid等人提出，描述了反滲透過程中水分子通過氫鍵相互作用的機理。在反滲透膜中，水分子通過氫鍵與膜表面的官能團相互作用，增加了水分子在膜表面的吸附能力，從而促進了水分子通過膜孔的溶劑滲透性。這種相互作用導(dǎo)致水分子在膜表面線性擴散，隨著壓力的作用，水分子通過形成和打破氫鍵從致密的活性層進入多孔層，最終流出膜。

毛細孔滲理論

優(yōu)先吸附-毛細血管滲透性理論是由Zorrila Jin等人提出的。以氯化鈉水溶液為例，該理論將溶質(zhì)定義為氯化鈉，將溶劑定義為水。根據(jù)這一理論，反滲透膜具有選擇性吸水的膜表面，因此水分子將被優(yōu)先吸附，而溶質(zhì)氯化鈉將被排斥。在壓力下，被優(yōu)先吸附的水分子通過膜，從而實現(xiàn)脫鹽過程。

該理論還提出了混合物分離和滲透的臨界孔徑概念，即選擇吸附界面水層厚度的兩倍。這意味著膜的表面必須有相應(yīng)大小的孔。基于這一理論，Zorrila Jin等人成功開發(fā)了一種具有高脫鹽率和高水滲透性的實用反滲透膜，為反滲透膜技術(shù)的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

溶解擴散理論

根據(jù)朗斯代爾（lonsdale ,willian）和賴?yán)≧iley）根據(jù)其他人的溶解和擴散理論，反滲透中的膜滲透現(xiàn)象可以解釋為溶劑和溶質(zhì)溶解在膜中，并在化學(xué)勢差的推動下從一側(cè)擴散到另一側(cè)，直到滲透膜。這一理論假設(shè)電影是無缺陷的“完整膜”溶質(zhì)和溶劑的擴散遵循Fick 美國法律。根據(jù)該模型，溶質(zhì)和溶劑可能溶解在均勻或無孔膜的表面并與化學(xué)勢差反應(yīng)（通常表示為濃度差或壓差）作為驅(qū)動力，它們從膜轉(zhuǎn)移到膜的另一側(cè)。因此，物質(zhì)的滲透性不僅取決于擴散系數(shù)，還取決于其在膜中的溶解度。溶質(zhì)的擴散系數(shù)越小于水分子的擴散系數(shù)，水在高壓下在膜中的移動速度越快，導(dǎo)致滲透膜的水分子比通過擴散滲透的溶質(zhì)多。

目前，普遍認為溶液擴散理論被廣泛用于解釋膜滲透現(xiàn)象。此外，氫鍵理論、優(yōu)先吸附毛細滲透理論也可以解釋反滲透膜的滲透機理。有學(xué)者提出擴散-細孔滲理論、結(jié)合水-空穴有序理論和自由體積理論。

預(yù)處理：預(yù)處理階段的目標(biāo)是通過一系列方法去除原水中的懸浮物、膠體、生物污染物、溶解氣體等雜質(zhì)和大部分有機物，從而減輕后續(xù)膜處理過程的負擔(dān)，延長膜的使用壽命。預(yù)處理方法通常包括物理處理、化學(xué)處理和光化學(xué)處理等。

物理處理：物理處理方法主要有沉淀法、過濾、吸附和熱處理等。

逆滲透

沉淀：通過添加絮凝劑來促進水中懸浮物的沉淀，可以去除污染物。

過濾：使用不同孔徑的過濾介質(zhì)，如砂濾、活性炭過濾等，將雜質(zhì)攔截，有效去除懸浮物和一部分溶解物質(zhì)。

吸附：使用吸附劑吸附水中的有機物和一些離子，如活性炭吸附劑，對有機物有很好的去除效果。

熱處理：通過加熱原水，一些溶解氣體會因溫度變化而被去除。

化學(xué)處理：化學(xué)處理方法主要有氧化法、還原和pH調(diào)節(jié)等。

氧化：通過添加氧化劑，污染物被氧化成易于去除的物質(zhì)，通常使用氯作為氧化劑、臭氧和過氧化氫等。

還原：通過添加還原劑，污染物可以被還原成易于去除的形式常用的還原劑包括亞硫酸鹽和亞硝酸鹽。

pH調(diào)節(jié)：通過改變水的酸堿性，影響污染物的溶解性和沉降性，從而達到去除的目的。

膜分離：膜分離是反滲透過程的核心步驟，水中的溶質(zhì)通過反滲透膜分離出來。反滲透膜是一種具有高選擇性的半透膜，可以阻止大部分溶質(zhì)通過，只允許水分子通過膜的孔隙，從而實現(xiàn)水的脫鹽和濃縮。

在膜分離過程中，常見的組件包括反滲透膜組件、加壓泵、脫鹽率監(jiān)測設(shè)備、濃水排放系統(tǒng)和濃水回收系統(tǒng)等。反滲透膜組件是由多層反滲透膜組成的裝置，水在通過反滲透膜時分為兩部分：穿過膜的純水通道和截留的濃水通道。增壓泵提供足夠的壓力推動水通過反滲透膜，從而純水通過膜的孔隙，而溶質(zhì)被截留在膜的一側(cè)。脫鹽率監(jiān)測設(shè)備用于監(jiān)測膜分離過程中的脫鹽效果，以確保獲得的水質(zhì)符合要求。濃水排放系統(tǒng)用于處理截留的濃水，以便將其排放或循環(huán)使用，從而減少廢水排放。濃水回收系統(tǒng)回收了部分處理后的濃水，提高了水資源的利用率。

除了預(yù)處理和膜分離，反滲透過程還可能包括其他水凈化過程，如砂濾、活性炭吸附、反滲透預(yù)處理等這些步驟根據(jù)具體情況和水質(zhì)要求進行選擇和組合，以提高整體水處理效果和膜的使用壽命。

膜材料化學(xué)成分

反滲透按膜材料的化學(xué)成分可分為纖維素膜反滲透和非纖維素膜反滲透。

纖維素膜逆滲透：纖維素膜反滲透是一種基于纖維素的膜材料，包括醋酸纖維素纖維膜（CA）和三醋酸纖維素薄膜（CTA）纖維素膜反滲透的主要特點之一是其良好的透水性。這意味著水分子可以相對容易地通過膜的孔徑，從而實現(xiàn)水的分離和凈化。這一特性使得纖維素膜的反滲透在處理高鹽度水源如海水淡化時非常有效。此外，纖維素膜的反滲透還具有較高的鹽截留性能，可有效去除水中的鹽和溶解離子。這使得纖維素膜反滲透適用于處理中等鹽濃度的水源，如海水淡化和地表水處理。纖維素膜反滲透材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在一定程度上可以耐受化學(xué)腐蝕和污染。這使得纖維素膜反滲透在處理含有一定濃度化學(xué)物質(zhì)的水源時具有一定的優(yōu)勢。

非纖維素膜反滲透：非纖維素膜反滲透是一種不基于纖維素的膜材料，通常包括聚醚酮（PEEK）聚醚砜（PES）和聚醚醚酮（PEEK）等。這些膜材料具有一些特殊的特性和優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。首先，非纖維素膜反滲透材料具有較高的耐化學(xué)性和機械強度。它們能承受一定程度的化學(xué)腐蝕和壓力，使用壽命長。這使得非纖維素膜反滲透在處理各種水源時表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。此外，非纖維素膜反滲透材料也具有良好的透水性。它們可以相對容易地讓水分子通過膜的孔徑來實現(xiàn)水的分離和凈化。

按膜孔徑大小

反滲透可以根據(jù)膜的孔徑大小進行分類，通常分為納濾膜反滲透和超濾膜反滲透。

納濾膜逆滲透：納濾逆滲透（Nanofiltration   reverse osmosis）這是一種使用聚合物膜的分離技術(shù)。這種膜具有特定的孔徑范圍，通常在0.1納米到1納米之間，超濾膜和反滲透膜之間。納濾膜反滲透可以通過分子水平的選擇性過濾有效去除水中的離子、有機物和大多數(shù)微生物，同時保留水分子和一些小分子溶質(zhì)。

超濾膜逆滲透：超濾逆滲透（Ultrafiltration and reverse osmosis）它也是一種膜分離技術(shù)，使用大孔徑的膜。超濾膜的孔徑通常為0.01微米到0.1微米，比納濾膜略小。它能有效地去除水中的膠體、大分子有機物、細菌和病毒等物質(zhì)，同時保留水分子和一些小分子溶質(zhì)。

按組合方式

反滲透作為一種分離、濃縮和凈化的工藝是根據(jù)反滲透的設(shè)計基礎(chǔ)確定的。常見的流程形式包括一個階段和一個段落、一級多段、兩級一段、多級循環(huán)等形式。

一級一段法：在這種方法中，在料液進入膜組件后，濃縮物和產(chǎn)生的水被連續(xù)導(dǎo)出，但水的回收率相對較低，因此在工業(yè)應(yīng)用中很少使用。另一種形式是一段一段循環(huán)工藝，一部分濃水返回給料罐，使?jié)馊芤旱臐舛炔粩嗵岣唠m然出水量大，但產(chǎn)出水的水質(zhì)會下降。

一級多段法：當(dāng)采用反滲透作為濃縮工藝時，如果一次濃縮不能滿足要求，可采用多級濃縮。這樣，通過多次反滲透操作，濃縮液的體積減少，濃度增加，從而相應(yīng)地增加了產(chǎn)水量。

兩級一段法：當(dāng)一級反滲透不能滿足要求時，可以分兩步進行。如果膜的脫鹽率低，水滲透率高，那么采用兩級反滲透更經(jīng)濟。同時，當(dāng)在低壓和低濃度下操作時，可以延長膜的使用壽命。

多級循環(huán)：在此過程中，一級反滲透液體用作二級料液，二級滲透液用作下一級料液通過幾個階段的循環(huán)脫鹽，可以生產(chǎn)相對純凈的淡水。在選擇這種工藝時，有必要考慮設(shè)備的整體壽命、設(shè)備費用、維護管理和技術(shù)可靠性。例如，如果有必要將高壓的一級過程改為兩級過程，則可以在低壓下操作，這對膜來說非常重要、裝置、密封和水泵是有益的。

反滲透技術(shù)的關(guān)鍵在于滲透膜的組合和安裝，它決定了反滲透過程中的膜通量、脫鹽率和鹽滲透性等。在反滲透技術(shù)中，有幾種常見的滲透膜組合，包括板框式、管式、螺旋纏繞型和中空纖維型。

板框式裝置 

板框反滲透裝置類似于板框壓濾機。該裝置由多塊圓形多孔滲透板堆疊而成，滲透板的兩側(cè)覆蓋有反滲透膜，滲透板的外環(huán)通過粘合劑與膜密封。裝置的外環(huán)由“O”o型圈提供支撐并形成壓力容器。高壓水從上至下穿過每塊滲透板，凈化水從每塊滲透板中導(dǎo)出。然而，板框反滲透裝置也有一些缺點裝置的液體流動狀態(tài)比較差，容易導(dǎo)致濃差極化，從而影響反滲透效果。此外，與其他類型的反滲透裝置相比，板框反滲透裝置的設(shè)備成本較高。

管式裝置

管式反滲透裝置是將膜和支架制成管狀，并以一定方式連接成一體的裝置。可分為單管式和管束式、內(nèi)壓式和外壓式等。裝置中的管道直徑通常為0.6~2.5 cm，常用材料包括多孔玻璃纖維環(huán)氧樹脂增強管、多孔陶瓷管、帶小孔或集水槽的增強塑料管不銹鋼管等。

管式裝置水力條件好，適當(dāng)調(diào)節(jié)水流狀態(tài)可防止?jié)獠顦O化和膜污染，可處理含懸浮物的溶液，但單位體積膜面積小，制造和安裝成本高。

螺旋卷式裝置

卷式裝置的膜組件是將多孔柔性支撐網(wǎng)夾在兩層膜之間，并通過粘合密封它們的三個側(cè)面。然后在下面鋪設(shè)讓廢水通過的多孔透水格柵，再將另一個開口邊緣與多孔集水管密封連接，使進水與凈化水完全分離。最后，膜葉以集水管為軸螺旋纏繞緊密。幾個膜組件串聯(lián)在一起，放入一個圓柱形耐壓容器中，形成一個螺旋反滲透裝置。這種裝置具有膜堆密度高結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，但密封困難易堵塞清洗不便。

中空纖維式裝置

中空纖維膜是由制膜液中空紡絲而成的一種細如發(fā)絲的空心管。光纖的外徑為50100微米，內(nèi)徑為2542 μ m。將數(shù)十萬個中空纖維膜捆成膜束，并將其彎曲成“U”成型，并放入耐壓圓柱形容器中。同時，纖維膜的開口端固定在環(huán)氧樹脂管板上，形成反滲透裝置。原水在高壓下進入纖維膜的外側(cè)，而凈化水從纖維管中導(dǎo)出。該裝置的中空纖維密度很高，不需要膜支撐材料，因此濃差極化可以忽略。然而，該裝置的制造工藝復(fù)雜，容易堵塞且不便于清潔。

反滲透廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，可用于海水淡化、苦咸水淡化、超純水制備、城市供水處理、城市污水處理和利用，以及工業(yè)廢水處理等。特別適用于工業(yè)廢水處理，如電鍍廢水、造紙廢水和化工廢水的處理和凈化。

海水淡化

反滲透技術(shù)通過使用透析膜從海水中去除鹽和雜質(zhì)來生產(chǎn)淡水。2000年，在中國科技部重點科技攻關(guān)項目中“日處理1000噸反滲透海水淡化系統(tǒng)及工程技術(shù)開發(fā)”在的支持下，山東長島和浙江嵊泗已建成10000噸/d級反滲透海水淡化示范項目。該技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)達到國際先進水平。

純水、超純水制備

純水和超純水是現(xiàn)代工業(yè)中非常重要的原料、微電子、電力、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自20世紀(jì)80年代以來，中國在純水和超純水制備系統(tǒng)中采用反滲透和離子交換技術(shù)作為主導(dǎo)技術(shù)。與單一離子交換過程相比，反滲透-離子交換法的制水成本降低了約30%酸和堿的消耗節(jié)省約90%并且樹脂再生循環(huán)中的水產(chǎn)量增加了約20倍。反滲透膜分離技術(shù)在純水和超純水制備中的進展、環(huán)保的經(jīng)濟效益和社會效益已在大量反滲透項目的實際運行中得到證實。目前，反滲透膜技術(shù)在純水和超純水制備系統(tǒng)中的市場份額已超過95%

廢水資源化

廢水循環(huán)利用在中國是一個重要問題。僅在中國，廢水和污水的年排放量正以18×10^8t的速度增加，工業(yè)廢水和生活污水的日排放量接近1.64×10^8t，其中約80%未經(jīng)處理直接排入水中。實施廢水循環(huán)利用可以實現(xiàn)開發(fā)淡水資源和保護環(huán)境的雙重目標(biāo)。廢水處理和海水淡化在設(shè)備和技術(shù)上有一些相似之處。反滲透技術(shù)是廢水處理中常用的方法反滲透膜可以去除廢水中的銅、鉛、汞、鎳、砷、鉻、銀、硒、鋅等離子體的去除率可達90%99%

其他應(yīng)用

在食品和飲料工業(yè)中，除了濃縮奶酪乳清、果汁、蔬菜汁、楓樹汁、除了咖啡和糖溶液外，它還用于生產(chǎn)許多其他食品和飲料。在乳品工業(yè)中，反滲透技術(shù)常用于濃縮牛奶、酸奶和乳清蛋白去除多余的水分，增加產(chǎn)品的濃度和味道。在果汁和蔬菜汁的生產(chǎn)中，反滲透膜用于濃縮果汁，去除水分并保留果汁中的營養(yǎng)物質(zhì)，從而增加產(chǎn)品的口感和濃度。反滲透也廣泛應(yīng)用于糖漿和糖溶液的生產(chǎn)。通過反滲透膜的過濾，可以除去糖液中的水分，從而得到高濃度的糖漿，可以用來制作糖果、餅干和其他糕點產(chǎn)品。