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反滲透是用足夠的壓力使溶液中的溶劑(一般常指水)通過反滲透膜(一種半透膜)而分離出來與滲透方向相反,可使用大于滲透壓的反滲透法進(jìn)行分離、提純和濃縮溶液。反滲透膜的主要分離對(duì)象是溶液中的離子范圍。
反滲透,英文為Reverse Osmosis,是花費(fèi)數(shù)億美元并經(jīng)過多年的精心研制而成的高科技水處理技術(shù)。這種薄膜分離技術(shù),是依靠滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質(zhì)進(jìn)行分離的過程。滲透是一種物理現(xiàn)象。反滲透就是在有鹽份的水中(如原水)施加比自然滲透壓力更大的壓力,使水由濃度高的一方滲透到濃度低的一方,把原水中的水分子壓到膜的另一邊變成純凈水,而原水中的細(xì)微雜質(zhì)、膠體、有機(jī)物、重金屬、細(xì)菌、病毒及其他有害物質(zhì)都統(tǒng)統(tǒng)截留下來并經(jīng)污水出口排放掉。由于反滲透膜的孔徑僅0.0001微米,一個(gè)細(xì)菌要縮小4000倍,過濾性病毒也要縮小200倍以上才能通過,所以其有效去除率高達(dá)96%以上。
反滲透純水系統(tǒng)根據(jù)不同的源水水質(zhì)采用不同的工藝。一般自來水經(jīng)一級(jí)反滲透系統(tǒng)處理后,產(chǎn)水電導(dǎo)率<10μS/cm,經(jīng)二級(jí)反滲透系統(tǒng)后產(chǎn)水電導(dǎo)率<5μS/cm甚至更低,在反滲透系統(tǒng)后輔以離子交換設(shè)備或EDI設(shè)備可以制備超純水,使電阻率達(dá)到18兆歐姆(電導(dǎo)率=1/電阻率)。
反滲透/納濾基本原理
半透膜
半透膜是具有選擇性透過性能的薄膜。當(dāng)液體或氣體通過半透膜時(shí),一些組分透過,而另外一些組分被截留。實(shí)際上半透膜對(duì)于任何組分都有透過性,只是透過的速率相差很大。在反滲透過程中,溶劑(水)的透過速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶解在水中的溶質(zhì)(鹽分)。通過半透膜實(shí)現(xiàn)了溶劑和溶質(zhì)的分離,得到純水以及濃縮的鹽溶液。
滲透
滲透是當(dāng)流體在跨越半透膜屏障時(shí)的一種自然過程。如果將一箱純水用一張半透膜垂直分為兩部分,純水與理想半透膜的兩面以相同的溫度和壓力接觸,在這樣的條件下沒有跨越半透膜的水的流動(dòng)產(chǎn)生,因?yàn)樵谀蓚?cè)的化學(xué)勢(shì)完全相等。如果在其中一側(cè)加入溶解性鹽,鹽溶液一邊的化學(xué)勢(shì)降低了。純水便會(huì)向鹽溶液一側(cè)滲透,從而產(chǎn)生一個(gè)滲透流,直到化學(xué)勢(shì)的平衡重新建立為止
(圖-6a)。
滲透壓
按照科學(xué)術(shù)語,在半透膜的兩邊存在一個(gè)“化學(xué)勢(shì)”(離子或溶質(zhì)分子的濃度差)的差值,通過溶液的滲透過程對(duì)化學(xué)勢(shì)差進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)平衡重新建立時(shí),在半透膜的兩側(cè)形成了一個(gè)水位差即靜壓差,這個(gè)壓力差便是滲透壓。滲透壓是溶液本身的性質(zhì),取決于溶液濃度,與半透膜沒有關(guān)系。
滲透壓與溶質(zhì)濃度之間的關(guān)系為:
Posm = 1.19 (T + 273) * Σ(mi) (1)
其中Posm=滲透壓(psi),T為溫度(℃), Σ(mi)是溶液中所有溶質(zhì)的總摩爾濃度。TDS為1000ppm的水溶液的近似滲透壓約為11 psi (0.76 bar)。
反滲透
在圖-6a的箱子中,水通過滲透作用流向鹽溶液一側(cè),直到達(dá)到新的平衡建立。在鹽溶液一邊施加一個(gè)額外的壓力與滲透壓相等,原有的平衡會(huì)受到影響(圖-6b)。外加壓力將會(huì)使鹽溶液一邊的化學(xué)勢(shì)增加,使溶劑流向純水一邊。這種現(xiàn)象便是反滲透。反滲透過程的驅(qū)動(dòng)力是外加壓力,反滲透分離所需能量與溶液的難度直接相關(guān)。因此,從鹽溶液中生產(chǎn)同樣體積的水,鹽的濃度越高,所需能耗也越高。
對(duì)于反滲透過程分離水和鹽的機(jī)理還沒有一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一解釋。目前一般推薦兩種傳遞模型:毛細(xì)孔流模型和溶解擴(kuò)散模型。水通過膜有兩種方式,一種是通過膜上存在的孔,另外一種是通過膜中的分子節(jié)點(diǎn)之間的擴(kuò)散。根據(jù)理論,膜的化學(xué)性質(zhì)是,在固液界面上水優(yōu)先吸附并通過,鹽被截留。水與膜表面之間有弱的化學(xué)結(jié)合力,使得水能夠在膜的結(jié)構(gòu)中分散。膜的物理和化學(xué)性質(zhì)決定了在傳遞過程中水比鹽的優(yōu)先地位。
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