反渗透和纳滤的基本原理和概念

反渗透和纳滤的基本原理和概念

 

反渗透和纳滤是一个利用半透膜从溶液中分离出溶剂和溶质的过程。半透膜只允许溶剂和少部分溶质通过，同时截留大部分溶质。要了解反渗透和纳滤是怎样工作的，首 先须要了解自然渗透过程。

 

值得注意的是，虽然许多溶剂能被应用于反渗透工程，但反渗透主要的应用还是在以水为溶剂的溶液系统，因此以下所有的论述和讨论都是在基于水溶液系统上的。

 

渗透

 

渗透是一个水通过半透膜从低浓度溶液流向高浓度溶液的自然工程。

 

容器由半透膜分为左右两个室，在其左边加入浓溶液，右边加入稀溶液。由于两侧溶剂（即水）化学势的差别，水分子将从稀溶液中透过半透膜不短流向浓溶液，因而在两侧页面形成高度差；知道液柱产生的压力刚好能阻止水分子的净流入，进入半透膜的水分子达到动态平衡。此时两侧页面的高度差就是浓溶液和稀溶液在该平衡状态浓度下的渗透压差；而当稀溶液为纯溶剂（即纯水）时，两侧页面的高度差就是浓溶液在该平衡状态下的渗透压。

 

溶液的渗透压可以通过van’t Hoff方程式进行估算：

 

II=RTΣCi

 

式中：II---渗透压，KPa；

 

R---常数8.314kPa·L/（K·mol）

 

ΣCi---各离子的浓度总和，mol/L

 

T---热力学温度，K

 

从式中可以看出，渗透压是溶液浓度的函数，溶液浓度越高，其渗透压就越大。

 

值得注意的是，渗透压是溶液的一种性质，与膜无关。不同种类的溶液其渗透压是不一样的。例如，在反渗透计算时，我们常常用NaC1溶液来进行估算，一般1mg/L的NaC1约产生69Pa的渗透压。但高分子有 机物产生的渗透压却要低得多，如1mg/L的葡萄糖产生的渗透压只有13.8Pa。

 

反渗透和纳滤都属于渗透膜范畴，渗透压在膜的传质过程中起着其重要的作用。

 

反渗透

 

反渗透就是在浓溶液侧施加大于溶液渗透压的压力，迫使水分子逆向（与自然渗透方向相反）通过半透膜进入稀溶液的过程，故在有些文献中也将“反渗透”称为“逆渗透”。

 

由于在反渗透过程中，浓溶液侧的水分子通过半透膜流向稀溶液，而绝大部分溶质（溶解性固体）却无法透过膜，被截留下来。故浓溶液被进一步浓缩或者说脱水，稀溶液被稀释纯化或者说脱盐。而浓缩与脱盐也是当今反渗透膜应用的两大方向。

 

实际应用中，由于反反渗透膜元件及膜片本身对水的流动具有阻力，故施加在反渗透膜上用于实现反渗透过程的的压力远远高于溶液的渗透压。例如，苦咸水在1500ppmTDS浓度时的渗透压约为15psi，但其操作压力可能需要150-300psi；海水在35000ppmTDS浓度时的渗透压约为350psi，而其操作压力可能需要150-300psi。由此可见，反渗透膜系统的驱动压力有很大一部分是用来克服膜组件及膜片本身对水的阻力；特别是对于低含盐量的水源时，这种现象更加明显。因此对于反渗透系统来讲，选择合适的膜元件是非常重要的。