反渗透在环境工程中的应用

摘要:当今社会人们会越来越关注和重视环境保护工作。本文结合反渗透技术的现状及反渗透膜的分离机理，详细的阐述了反渗透在环境工程中的应用。

关键词:反渗透技术；环境工程；应用。

中图分类号：P642文献标识码： A

一、前言

科技的不断发展，使得反渗透技术已普遍的运用到了环境工程建设的许多方面。反渗透技术已成为海水、苦咸水淡化的主要手段，是超纯水和纯水制备的优选技术。在新时期下，我们要加大对反渗透技术的重视，不断的完善该技术，使其在环境工程的使用也更加有效。

二、反渗透技术的现状

反渗透技术是20世纪60年代初发展起来的以压力为驱动力的膜分离技术。该技术是从海水、苦咸水淡化而发展起来的，通常称为“淡化技术”。由于反渗透技术具有无相变、组件化、流程简单、操作方便、占地面积小、投资省、耗电低等优点，发展十分迅速。据国际脱盐协会统计，1999年底，全球单机日产量100m3以上的装置有13600台，每天生产淡水2590×104m3。反渗透和多级闪蒸是主要的应用方法，各占大约43％的市场份额。各种淡化技术在长期的工程应用中都在不断改善和提高，如改善工程和设备本身的用材、改进原水预处理和运行管理计算机化。然而，由于反渗透技术适用范围广，从事反渗透技术研究的单位和成套工程的公司多，近年来，其发展速度相对于其他技术快得多。

我国反渗透技术开发始于20世纪60年代，1967～1969年全国海水淡化会战为乙酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下了基础，70年代进行中空纤维和卷式反渗透组件的研究开发，80年代进行反渗透复合膜的研究开发，开始步人产业化，在我国水处理行业得到了广泛应用。尤其近些年来，在国家开放政策的引导下，世界发达国家高性能膜组器大量涌人国门，带动了国内反渗透工程应用的高速发展。国内相关研发单位在高性能反渗透、纳滤复合膜的研究方面也已取得突破，正在实施水膜的产业化计划。经过30多年的发展，尤其“七五”以来，通过连续实施国家3个五年科技计划，我国的反渗透技术有了快速的发展，产业初具规模。反渗透技术已广泛应用于海水苦咸水淡化，纯水、超纯水制备，化工分离、浓缩、提纯等领域。工程遍布电力、电子、化工、轻工、煤炭、环保、医药、食品等行业。

三、反渗透膜的分离机理

1、反渗透概述

渗透是水从稀溶液一侧通过半透膜向浓溶液一侧自发流动的过程。半透膜只允许水通过，而阻止溶解的固体物质的通过。

浓溶液随着水的流人而不断被稀释。当水向浓溶液流动而产生的压力足够用以阻止水继续净流入时，渗透处于平衡状态。平衡时，水从任一边通过半透膜向另一边流人的数量相等，即处于动态平衡状态，而此时压力称为溶液的渗透压。

当在浓溶液上有外加压力，而且压力大于渗透压时，浓溶液中的水就会通过半透膜流向稀溶液，使得浓溶液的浓度更大，这一过程就是渗透的相反过程，称为反渗透。

反渗透是渗透作用的逆过程，实现反渗透有两个条件：一是外加压力必须大于溶液的渗透压；二是必须有一种高选择性、高透水性的半透膜。用于反渗透的半透膜表面微孔尺寸一般在1nm左右，能去除绝大部分离子、质量分数90％～95％的溶解固形物、95％以上的溶解有机物、生物和胶体以及8O％～90％的硅酸。利用反渗透原理就可将溶液中的不同组分分离。

反渗透的去除性能一般有如下规律：

(1)高价离子去除率大于低价离子A13+>Fe3+>M2+>Ca2+>Li+

（2)去除有机物的特性受分子构造与膜亲和性的影响

分子量：高分子量>低分子量

亲和性：醛类>酸类>胺类

侧链结构：第三级>异位>第二级>第一级

(3)对分子量>300的电解质、非电解质都可有效的除去，其中分子量在100～300之间的去除率为90％以上。

2、透过机理

反渗透膜是反渗透系统中最重要的组件，主要分为非荷电膜与荷电膜。下面介绍主要的几种透过机理。

（1）氢键理论

氢键理论是由Reid等提出来的，此模型把醋酸纤维膜看作是一种高度有序矩阵结构的聚合物。当水进入醋酸纤维膜的非结晶部分后，和羧基的氧原子发生氢键而构成结合水。水分子能够由一个氢键位置移动到另一个位置。当外界施加压力，水分子依次从上到下，通过一连串的形成氢键和断裂氢键而不断移位，很快传递通过聚合物，直至离开膜的表皮层，进入膜的多孔层。由于膜的多孔层含有大量毛细管水，水分子便能畅通无阻地由此通过。

（2）优先吸附――毛细管流动模型

选择吸附-毛细孔流机制主要是由Soufiran提出来的。此理论把反渗透膜看作是一种微细多孔结构物质，以吉布斯自由能吸附方程为基础，此模型认为由于膜的化学性质使膜对溶液中的溶质具有排斥作用，结果靠近膜表面的浓度梯度急剧下降，从而在溶液-膜的界面上形成一层被膜吸附的纯水层。纯水层的厚度与界面性质有较大的关系，一般为单分子层和多分子层。在反渗透压力下，纯水层中的水分子不断通过反渗透膜，盐类物质则被膜排斥，离子的化合价越高，排斥效应越强。

（3）溶解一扩散模型

溶解-扩散模型由Lonsdale和Riley等提出。此模型把半透膜看作是一种完全致密的中性界面。水和溶质通过膜是分为两个阶段完成的。第一个阶段是水和溶质首先吸附溶解到膜材质表面上；第二阶段是水和溶质在膜中扩散传递，最后通过膜。在溶解扩散过程中，扩散是控制步骤。溶解扩散模型比较合理地阐明了溶剂透过的推动力是压力，溶质透过的推动力是浓差扩散的结果。

（4）其他学说

Donnan平衡模型：用来解释荷电膜的排盐机理，主要是基于库仑斥力。将带有荷电基团的膜置于含盐溶剂中时，溶液中的反离子(所带电荷与膜内固定电荷相反的离子)在膜内浓度大于其在主体溶液中的浓度，而同名离子在膜内的浓度则低于其在主体溶液中的浓度。由此形成的Donnan位差阻止了同名离子从主体溶液向膜内的扩散，为了保持电中性，反离子也被膜截留。

偶联流动理论：偶联流动理论是Kedem等倡议的，他们认为膜内的质量传递过程主要是一种非平衡过程，每种组分的传递不仅受作用在那个组分上的热力学力所决定，而且也受施加在所有其它组分上的力的影响，即所有传递动作都是偶联的。

除以上反渗透膜分离理论外，还有筛网效应学说，自由体积理论，Kedem-Kat chal sky模型，Spieler-Kedemt模型，摩擦模型，扩散-细孔流模型等。

四、反渗透技术在环境工程当中的应用

通过上述说明和分析可以充分的了解了反渗透技术的基本原理和所需要的透过机理等环境，以及对技术模型的一些认识。还能够对一些核心的技术有一个比较全方位的认识和了解。下面主要就来说明一下反渗透技术如何在实际的工作当中的进行运用应用。促使这种技术在实际的运用和操作的工作中技术人员能够更好更科学准确的进行工作。反渗透技术因为其分所要求的技术含量比较高，目前的阶段反渗透技术的分离率的数值都是在一个比较高的水平上，而且这种技术在操作的时候工作步骤较为简单快捷，消耗能源比较少。运用的成本也比较低，所以这种技术很快的就在环境建设的工作中广泛的运用开来了，并且现在已经有了一个非常不错的成效。

1、重金属废水处理

在反渗透的相关环境工程应用当中，对于重金属的废水处理是比较重要的1个部分。

通过采用超低压的反渗透膜分离以及稀释溶液当中的铜离子、铬离子等等，测试的结果表示，在进行了相关的反渗透处理之后，截留率随着进料压力的不断增加而增加，而当压力进一步地增加至某一值时，对于铜离子以及铬离子的截留率达到了百分之九十九以上，效果极为明显，为环境工程的具体建设和应用做出了重大的贡献。现今，国外很多地区的电镀厂已经采用了膜分离渗透技术，对其排出的污水进行处理，在进行了相关的研究之后发现，在压强差大于一定数值且温度处于20℃～25℃之间的时候，可以使料液的浓缩度达到原有的10倍以上，而采用了低压复合反渗透膜技术进行相关的处理之后，可以发现其中的铜离子以及铬离子的脱除率会进一步地提升。在韩国的某公司的实际操作当中，运用反渗透进行高导电率的二次处理废水的相关工作，成功地将其中的单价离子以及二价离子进行去除，而根据相关的报道，使用反渗透的相关技术，运用到环境工程当中，可以使废液当中的Pb、Cu、Cr、As、Se、Hg等离子的脱除率高达95%以上，有的甚至能达到99%以上，实际处理和应用效果非常显著，为环境工程的相关建设作出了极大的贡献。

2、城市垃圾的渗滤液处理

在城市的垃圾渗滤液当中，其主要的性质为水质比较复杂，且水量变化较大，有害的污染物质浓度较高，氨氮含量以及金属的含量很高。一般地来讲，中国城市渗滤液使用的处理技术是生物处理技术，但是由于反渗透技术能够更加高效地截留污水当中存在的溶解态的无机污染物质以及有机污染物质，所以在近几年当中得到了广泛的运用和发展，前景较好。在意大利的某城市垃圾渗滤液的处理当中，通过反渗透技术的相关设备和技术的运用，将垃圾填埋场当中的渗透滤液进行了一系列的测试和处理，而实验的结果表明，当渗滤液的浓度逐渐地增加的时候，渗透量大大地降低，而当操作当中的压力进一步加大时，COD的去除率则可以上升至98%，达到了非常好的使用效果。另外，在中国北京房山区垃圾填埋场当中，运用反渗透的相关理论和技术手段，对其中的渗滤液进行了实际的实验处理，其结果同样表明，通过相关的反渗透技术的使用，可以对进水的水质进行有效的处理，完全可以使排放出的水质达到污染控制的一级标准，而随着高压反渗透相关技术的出现以及实践当中不断地应用加强，其在环境工程当中发挥的作用将更加明显。

3、印染废水的处理

在印染的相关工业当中，其排出的废水有着极大的污染，含有染料、助剂、无机盐以及纤维杂质、酸碱等等，其染料当中的硝基以及胺类化合物对环境有着较大的污染，同时其中还含有一系列的重金属元素离子，直接进行排放的话会对环境造成很大程度的破坏。而通过

反渗透技术的相关运用，在印染行业当中，可以对其排放的污水进行极为有效的处理，根据相关的报道以及文献资料，反渗透技术非常适合使用在染色槽当中的离子以及大分子的处理之上，在使用了一系列的技术手段之后，第一级苦咸水用膜可以有超过96%的脱除率，颜色脱除率可以达到90%以上，总碳脱除率可以达到85%以上，第二级脱除率可以达到98%以上，实际的使用效果非常明显，对于环境工程来讲有着非常重大的贡献。

五、环境工程中反渗透技术的未来展望

首先，未来促进反渗透技术的进一步发展，无疑要对新的材料与工艺进行进一步的研究与开发，从而使反渗透分离技术对经济效益的增加、竞争能力的提高以及应用范围的扩大都有着更进一步的推动作用。所以，所研制的膜要具备更好的耐压性、耐碱性、耐热性、耐酸性、以及抗污染、抗氧化等功能，同时还要使之更易于清洗；其次，加强反渗透分离过程同各种膜分离方法联合使用的开发与研制。例如将吸附同膜分离结合起来，蒸发同反渗透结合起来，离子交换树脂同反渗透膜技术结合起来，冷却同膜分离结合起来等等各种结合方式。第三，加强传统分离技术同膜分离相互联合的新型膜分离过程的开发与研制。例如，膜蒸馏、膜萃取、亲和膜分离以及传递的促进等等。第四，加强膜分离同反应过程相结合的膜反应过程的研制与开发。另外，为了进一步减少膜污染还可以对膜组件进行改善，从而使清洗的效果得到提高；还可以对反渗透的预处理方法、氯化以及脱氯化加以改善，从而使反渗透膜的元件得到有效保护，进而使其使用寿命又能够有所增加。

六、结束语

综上所述，通过对反渗透在环境工程中的应用问题分析，进一步明确了反渗透技术在环境工程中的重要性。因此，在环境工程的后续治理中，我们要加强反渗透技术的应用，确保环境工程的发展。

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