反 渗 透 膜 相 关 知 识
反渗透膜相关知识
一、材料组成
1．醋酸纤维素: 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”（“doctor blade”）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。
2．芳香聚酰胺：不对称芳香聚酰胺（Aramid）膜(Richter和Hoehn 1971)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。
3．薄膜复合膜：美国内政部盐水局于年代中期基金资助的North Star Research 和Development Institute（位于Minneapolis）的工作（Francis 1966; Rozelle等1967）导致了薄膜复合膜的发展。Universal Oil Products的Fluid Systems Division（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。
二、主要构型
反渗透膜需要制成一定构型才可用于水处理。目前膜的构型主要有平板式，管式，卷式和中空纤维式，但常用于水处理的是卷式和中空纤维式两种。
对于卷式构型，常用膜有醋酸纤维素膜和复合膜，利用这些膜制成膜元件，把膜元件放在压力容器中构成膜组件。用于制作卷式构型的膜一般先制成平整的膜，醋酸纤维素膜的结构见图1，上部有一层致密的薄层（0.1-1.0μmm）,即脱盐层，脱盐层下面有一层稍厚（100~200μm）的多孔支撑层，水很容易通过致密层流向多孔层。致密层是半透膜层，能有效阻止盐分的通过，起脱盐作用。
复合膜由三层组成，它们是：最上面的超薄脱盐层、中间的多孔的聚砜内夹层，最下面的聚酯支撑网层。由于聚酯支撑层不很平坦和多孔，不能用来直接支撑脱盐层，因而在该支撑层上面浇注一层聚砜微孔层，用于直接支撑脱盐层。聚砜层表面孔径可控制在0.015μm。
脱盐层厚度为0.2μm,在聚砜层的支撑下，能承受较高的压力，抗机械压力和化学侵蚀能力强。
对于中空纤维构型，利用芳香族聚酰胺膜制成的众多中空纤维直接装配在压力容器内，构成用于水脱盐的基本单元--膜组件。
无论是卷式还是中空纤维式，对其构型的共同要求如下：
1）对膜能提供适当的机械支撑，以便承受一定的给水压力；
2）能使给水，浓水和产品水各行其道，不混合；
3）使有一定压力的给水在通过膜面上时，能均匀分布，并有良好的流动状态，是浓差计划降至最低；
4）膜本身具有的脱盐率和透水量能在构型中得到充分的利用；
5）膜面积能得到最大限度的利用
6）便于贮存，运输，装卸和更换；
7）易于制造，维护方便，牢固且安全可靠；
8）价格有竞争力。
1．螺旋卷式
首先叙述卷式膜元件的概念。叶片有两张平展开的膜和一张聚酯织物组成，聚酯织物在两张膜的中间，叶片一端胶接起来形成一个袋，另一端（伸出来的聚酯织物）与带孔的PVC管粘接。叶片之间有塑料网，它们一起沿PVC中心管卷绕形成卷式构型。塑料端部装置粘接到卷式的叶片两端，一端起反伸缩装置（ATD）的作用，另一端起浓水密封的载体作用。玻璃钢（FRP）材料的外表面保护卷式构型。这样，形成了一个完整的膜元件。
卷式膜元件装入压力容器内试验，性能符合要求即可出售。前面提到的聚酯织物是起产品水收集通道的作用。塑料网一是作为浓水（给水）通道；二是起加强给水通道水流紊动的作用，以便把浓差极化减少到最低程度。因为卷式反渗透装置的给水从膜元件的给水端流向浓水端，并平行于膜表面，这种水流方向就有浓差极化的倾向，因
而叶片之间的塑料网是极为重要的。
卷式膜元件广泛用于苦咸水的脱盐，用于要求产水量较大的脱盐时，通常使用直径为101.6mm(4in) 或203.2mm(8in )，长度为1016mm (40in)或1524mm(60in)的膜元件。
把一个或几个膜元件连接起来，装在圆筒形的压力容器内，即构成卷式膜组件。
压力给水进入第一个膜元件，并在该膜元件的螺旋卷绕之间的通道内流动。一部分给水渗透过膜，并通过卷式通道流到膜元件中心的产品水收集管，另一部分给水沿着膜元件长度方向继续流动至第二个膜元件，这一过程依次进行。每个膜元件的产品水通过公共产品水管流成。当给水每通过下一个膜元件时，给水浓度增大，流过最后一个膜元件时，给水成为浓水，并排出压力容器。
2．中空纤维式
众多中空纤维膜装配在压力容器内构成中空纤维式膜组件。目前常用的是杜邦公司生产的用于苦咸水脱盐的B-9型中空纤维膜组件，现以此为例说明。中空纤维外径为85μm,内径为42μm，壁厚为
21.5μm。该纤维在其表面有一层很薄得致密层（即芳香族聚酯胺膜的脱盐层），该层用以阻止盐的透过，而能使水流稳定通过。在此薄层下面有一较厚的同样材料的多孔层，用来支撑脱盐层。该层能让水通过它流至中空纤维的内孔。
中空纤维比人的头发还细，尽管其壁薄，外径与内径比率差少为2：1，犹如厚壁圆柱，但其有自支撑作用，且强度足够承受较高的压力而不变形，不损坏。
对处理水量较大的系统，可使用102×1194或203×1219的膜组件。压力容器内几乎全部充满纤维束，在纤维之间有约25μm的水通路。纤维束间是用无纺布隔开的，然后缠绕，整个纤维束分24层，纤维束最外层包有导流网，以利浓水导流。，空心纤维在压力容器内呈U
型平行排列，在纤维中间的进水管道的一端用于进加压后的给水，另一端封堵密封，在其长度方向上有很多孔。纤维束的U型底部一端用环氧树脂固定密封，另一端通过环氧树脂板固定，并敞开中空纤维孔。进水管道内的水径向流往纤维束里的许多纤维。有一部分水渗透进中空纤维孔内，成为产品水，经环氧树脂圆环引出，另一部分在纤维束外边缘（即压力容器内边缘）轴向流往压力容器的端部，成为浓水，不断排走，并依靠O型密封环防止给水，浓水和产品水的混合。
三、基本特性
了解膜固有的特性，对于在水处理中分析和选用膜，更好的使用膜是十分有必要的。
1．膜的方向性
只有反渗透膜的致密层与给水接触，才能达到脱盐效果，如果多孔层与给水接触，则脱盐率将明显下降，甚至不能脱盐，而透水量则大大提高。这就是膜的方向性。因此，若膜的致密层受损，则膜脱盐率将明显下降，透水量则明显提高。这也说明保护好膜表面（致密层）的重要性。
2．各离子透过膜的规律
一般来说，1价离子透过率大于2价离子；2价离子透过率大于3价离子；同价离子的水合半径越小，透过率越大，即(透过率越来越小）。
溶解气体如CO2和H2S 透过率几乎为%,和透过率随PH值升高而降低。
四、透过机理
反渗透膜结构上层是致密层，而下面是多孔层。反渗透膜含有非连续大小的孔（致密层孔径小，多孔层孔径大），由致密层与水溶液接触，因而颗粒杂质不可能在膜里面被截留，不存在与过滤器一样有
深层过滤的问题。膜去除有机物是建立在筛网机理基础上的，因而有机物分子的大小与形状是确定其能否通过膜的重要因素。
用筛网机理来解释反渗透膜为什么会有98%以上的脱盐率是不适合的。因为水分子和一般离子的大小的区别不是很大。水中离子颗粒大小小于1nm，水分子的有效直径为0.5nm。反渗透膜有高的脱盐率是由于半透膜对离子有排斥作用，而膜表面对水分子有选择吸附作用，当有压力的给水通过反渗透膜元件（组件）时，水通过膜，而离子被截留在溶液中。