反渗透膜

    反渗透膜 : 1953年2月19日美国佛罗里达大学的 Reid向美国政府提出用高分子膜分离海水中的 盐和水的方法。如果以完全的半透膜为界面使 水与溶液分离,则水分子从水层经半透膜进入 溶液层,使溶液得到稀释。这样溶液的渗透压与 因渗透而产生的水的压力逐渐达到平衡。反之, 若在溶液的一侧施加压力使其高于溶液的渗透 压,则除水可以透过之外,其他均不能透过,从 而可以从海水中获得纯水。利用这一原理,在溶 液一侧施加压力,就可使溶液中的溶质与溶剂 分离,这种形式的半透膜称为反渗透膜。Reid就 是利用醋酸纤维素膜作为反渗透膜,使海水中 的盐与水分离。但这种膜是0.03mm厚的均质 膜,水的透过率小,无法用于实际。1960年加利 福尼亚大学的Loeb与Sourirajan采用各向异 性的非对称膜,即表面为0.1～0.25μm的均质非 多孔性膜(称为活性层),支持这种膜的是厚度为 100～200μm的多孔性膜,由于有了这种多孔性 膜的支持,在溶质和溶剂分离时,活性层就可制 得很薄,以减少水渗透时的阻力,而能用于实 际。用反渗透膜使水和溶质分离的机理,有 各种各样的解释,主要有两种,其一认为由于水 的选择性吸附而产生微孔流水,其二认为是由 于溶解与费克型扩散而引起。支持后一种理论 者较多。其理论是:

(1)

(2)

式中J_w、J_s——水和溶质的渗透速度;
D_w、D_s——水和溶质在膜中的扩散系数;
c_w——膜中水的浓度;
V_w——水的摩尔体积;
l——膜有效厚度;
K——水和溶质的分配系数;
ΔP、Δπ、Δc——原料液之间的压差、渗透压差、 浓度差;
D_sK_s＝P_s——溶质渗透系数;
R——气体常数;
T——温度。
溶质的渗透仅与浓度差有关,而与压力无 关。反渗透膜由于不是完全的半透膜,将其代人 渗透速度式,可得

J_w＝—L_p(ΔP-δΔπ)

(3)

J_s＝-ωΔπ+(1-δ)c_sJ_w

(4)

式中 L_p——水的渗透系数;
ω——溶质的渗透系数;
c_s——溶质在膜中的浓度;
δ——反射系数,定义为

δ=(ΔP/Δπ)J_w＝0

(5)

δ表示溶质与溶剂的流动的相互作用,δ=1时, 半透性最大,此时与(1)式相同。醋酸纤维素膜的 研究较充分。关于Loeb-Sourirajan所开发的 Loeb膜,其典型组成及工艺条件如下页表。在 醋酸纤维素膜中的透过情况,在一般情况下,像 无机电解质那样的离子价大者,或离子价相同 而水合半径大者,几乎没有透过性,可透过离子 的透过顺序为:
Sr²⁺>Ba²⁺>Li⁺>Na⁺>K⁺>SO₄^2-> Cl^->Br^->NO₃^->SCN^-。对于非纤维素系统, Du Pont公司实际采用了芳香族聚胺类膜[1]。

反渗透膜可用于海水(或咸水)的淡化,代替离 子交换树脂用于饮水的精制、实验室精制水、电 子工业用水精制、电镀废水处理、酸性矿山废水 处理、造纸废水处理、砂糖汁和天然果汁的浓 缩。所采用膜的种类有:聚苯并咪唑、糠醇复合 膜(NS-200)、间苯二胺及甲酰胺复合膜、乙酰 氯代丙烯酸纤维素酯的吡啶盐、磺化PPO、聚 苯并咪唑吡咯酮、聚砜多孔膜+聚乙烯亚 胺+TDI(NS-100)、芳香族聚酰肼、醋酸纤维 素、芳香族聚酰胺共聚物、在PAN多孔体上聚合 4-乙烯吡啶的等离子体、聚N-酰胺基亚胺、喹 多啶、表氯醇EDA+IPC(PA-300)、纤维素酯、聚 砜多孔性膜+聚乙烯亚胺+IPC(PA- 100)、聚砜多孔性膜中空丝+呋喃树脂复合膜、 磺化聚糖醇复合膜、聚乙烯亚胺+苯酚二磺酸 氯化物复合膜、聚苯并咪唑啉(PBIL)、醋酸纤 维素混合物等。为了提高单位体积的透过面积, 膜的形式可制成中空纤维型、管型、螺旋管型。

Loeb型醋酸纤维素膜的制膜条件

铸塑组成	A	B
醋酸纤维素/% 丙酮/% Mg(ClO4)2/% 水/%	17.0 69.2 1.45 12.35	25 45
甲酰胺/%		30
铸塑温度/℃ 蒸发时间/s 铸塑液温度/℃ 热处理温度/℃	10～30 30～120 -10～10 60～85	室温 20～60 室温 60～85