【技术分享】熟悉膜分离技术：电渗析、反渗透、超滤

渗析是指溶液中溶质通过半透膜的现象。自然渗析的推动力是半透膜两侧溶质的浓度差。在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现象称为电渗析。

离子交换膜是由高分子材料制成的对离子具有选择透过性的薄膜。主要分阳离子交换膜（CM，简称阳膜）和阴离子交换膜（AM，简称阴膜）两种。阳膜由于膜体固定基带有负电荷离子，可选择透过阳离子；阴膜由于膜体固定基带有正电荷离子，可选择透过阴离子。阳膜透过阳离子，阴膜透过阴离子的性能称为膜的选择透过性。

电渗析过程最基本的工作单元称为膜对。一个膜对构成一个脱盐室和一个浓缩室。一台实用电渗析器由数百个膜对组成。

图1简明地示出电渗析器工作原理。

电渗析器的主要部件为阴、阳离子交换膜，隔板与电极三部分。隔板构成的隔室为液流经过的通道。淡水经过的隔室为脱盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。若把阴、阳离子交换膜与浓、淡水隔板交替排列，重复叠加，再加上一对端电极，就构成了一台实用电渗析器。

若电渗析器各系统进液都为NaCl溶液，在通电情况下，淡水隔室中的Na+向阴极方向迁移，Cl－向阳极方向迁移，Na+与Cl－就分别透过CM与AM迁移到相邻的隔室中去。这样淡水隔室中的NaCl溶液浓度便逐渐降低。相邻隔室，即浓水隔室中的NaCl溶液浓度相应逐渐升高，从电渗析器中就能源源不断地流出淡化液与浓缩液。

淡水水路系统、浓水水路系统与极水水路系统的液流由水泵供给，互不相混，并通过特殊设计的布、集水机构使其在电渗析内部均匀分布，稳定流动。

从供电网供给的交流电，经整流器变为直流电，由电极引入电渗析器。经过在电极溶液界面上的电化学反应，完成由电子导电转化为离子导电的过程。

用夹紧板紧固在一起的膜堆部分称为电渗析器。电渗析要进行工作，必须有水泵、整流器等辅助设备，还必须有进水预处理设施。通常把电渗析器及辅助设备总称为电渗析装置。

就过程基本原理而言，电渗析技术至少有以下四方面的用途。

（1）从电解质溶液中分离出部分离子，使电解质溶液的浓度降低。如海水、苦咸水淡化制取饮用水与工业用水；工业用初级纯水的制备；废水处理等。特别苦咸水淡化是目前电渗析技术最成熟、应用最广泛的领域。

（2）把溶液中部分电解质离子转移到另一溶液系统中去，并使其浓度增高。海水浓缩制盐是这方面成功应用的典型例子。又如化工产品的精制、工业废液中有用成分的回收等也属于这方面的应用。

（3）从有机溶液中去除电解质离子。目前主要用于食品和医药工业。在乳清脱盐、糖类脱盐和氨基酸精制中应用得比较成功。

（4）电解质溶液中同电性具有不同电荷的离子的分离和同电性同电荷离子的分离。使用只允许一价离子透过的离子交换膜浓缩海水制盐，是前者工业化应用的实例；后者因无实用的膜，处于开发研究阶段，如卤水中锂的分离已研究多年。

反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，在高压侧得到卤水。

反渗透装置（简称 RO装置）在除盐系统中属关键设备，装置利用膜分离技术除去水中大部份离子、SiO2等，大幅降低 TDS、减轻后续除盐设备的运行负荷。RO 是将原水中的一部分沿与膜垂直的方向通过膜，水中的盐类和胶体物质

将在膜表面浓缩，剩余一部分原水沿与膜平行的方向将浓缩的物质带走，在运行过程中自清洗。膜元件的水通量越大，回收率越高则其膜表面浓缩的程度越高，由于浓缩作用，膜表面处的物质溶度高于主体水流中物质浓度，产生所谓的浓差极化现象。浓差极化会使膜表面盐的浓度高，增大膜的渗透压，引起盐透过率增大，为提高给水的压力而需要多消耗能量，因此在运行过程中必须采用合适的措施（例如增大浓水侧水的湍流度）减少浓差极化的程度。

RO膜进水水质标准

进水压力≥0.2MPa

进水温度5~40℃

进水pH=4~9

总溶解性固体TDS≤1000mg/L

余氯≤0.05mg/L

SDI≤5

总铁Fe≤0.1mg/L

COD≤1.5mg/L

TOC≤2mg/L

NTU≤0.5mg/L

影响反渗透性能的因素

进水水质的影响

a、色度、浊度和胶体有机物：悬浮物和胶体物质非常容易堵塞RO膜，使透水率很快下降，脱盐率降低;

b、氧化剂：氧化剂会使复合膜性能恶化，水中含游离氯时，通常用活性炭吸附或加注还原剂，使游离氯还原到指标值以下;

c、PH值：控制PH值的目的主要是防止(CaCO3)析出后形成水垢;

d、铁、锰、铝等重金属氧化物：其含量高时，在膜表面易形成氢氧化物胶体，产生沉积现象;

e、细菌、微生物：细菌繁殖会污染膜并恶化水质;

f、硫酸根(SO42-)，二氧化硅(SiO2)：水中含有多量硫酸根时，易产生硫酸钙沉淀，含有多量SiO2时，也易产生沉淀，为防止沉淀，当浓水CaSO4溶度积>19×10-5时,可加注六偏磷酸钠,尽量避免浓水中SiO2含量超过100mg/L。

运行因素的影响

a、压力

渗透液通量随作用压力成线型增加，而渗透液的含盐量随作用压力而减少。

b、温度

若其他参数保持固定只增加温度，渗透液通量及盐通过量都随之增加，但渗透液通量变化更为明显(见图3)，一般来说，温度每提高1℃，透水量增加1-3%，而一般膜的额定通量是在25℃时给出的,下表8标示了不同温度下产水量修正系数。

实际产水量=额定产水量(25℃时)/修正系数。

超滤是采用中空纤维过滤新技术，配合三级预处理过滤清除自来水中杂质；超滤微孔小于0.01微米，能彻底滤除水中的细菌、铁锈、胶体等有害物质，保留水中原有的微量元素和矿物质。

超滤是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，

而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到了部分的纯化。超滤原理也是一种膜分离过程原理，超滤利用一种压力活性膜，在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质，而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。通过膜表面的微孔筛选可截留分子量为30000—10000的物质。当被处理水借助于外界压力的作用以一定的流速通过膜表面时，水分子和分子量小于300—500的溶质透过膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于筛分作用被截留，从而使水得到净化。也就是说，当水通过超滤膜后，可将水中含有的大部分胶体硅除去，同时可去除大量的有机物等。

超滤原理并不复杂。在超滤过程中，由于被截留的杂质在膜表面上不断积累，会产生浓差极化现象，当膜面溶质浓度达到某一极限时即生成凝胶层，使膜的透水量急剧下降，这使得超滤的应用受到一定程度的限制。为此，需通过试验进行研究，以确定最佳的工艺和运行条件，最大限度地减轻浓差极化的影响，使超滤成为一种可靠的反渗透预处理方法。