反渗透和纳滤系统基础

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1、反渗透和纳滤系统基础1.膜与膜过程膜在自然界中是广泛存在的，尤其在生物体内。但是人类首次注意到由生物膜引起的渗透现象是在1748年，法国学者AbbeNollet（1700–1770）很偶然地发现包裹在猪膀胱里的水可以自己扩散到膀胱外侧的酒精溶液中。法国植物学家HenriDutrochet（1776–1847）在1827年提出了Osmosis（渗透）一词来定义AbbeNollet发现的现象。但是，这一现象并未能引起足够的重视，直到1854年英国科学家ThomasGraham（1805–1869）在实验中发现，放置在半透膜一侧的晶体会比胶体更快的扩散到另一侧，并提出了Dialys

2、is（透析）的概念。这时人们才对半透膜产生了兴趣，并由德国生物化学家MoritzTraube（1826–1894）在1864年制造出了人类历史上第一张人造膜——亚铁氰化铜膜。完整的渗透压理论直到20世纪才由荷兰物理化学家Van'tHoff（1852–1911）提出。后来，随着各个学科的不断发展，膜分离现象也不断为人们发现并研究。1960年，人类终于实现了从苦咸水中制取淡水的梦想，工作于美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的科学家SidneyLoeb（1917–）和SrinivasaSourirajan（1923–）共同研制出世界第一张非对称醋酸纤维素反渗透膜。从那时起的近

3、半个世纪以来，膜分离技术，包括反渗透和纳滤，在世界范围得到了广泛的发展和应用。表1列出了膜分离技术发展简史。表1膜分离技术发展史年代科学家成就1748AbbeNollet发现渗透现象1827HenriDutrochet引入名词Osmosis1855Firch扩散定律1864MoritzTraube第一张人造膜——亚铁氰化铜膜1870–1920Preffer,Van'tHoff渗透压力定律1917Kober引入名词Pervaporation（渗透汽化）1920Mangold,Michaels,Mobain用赛璐珞和硝化纤维素膜观察到反渗透现象1930Teorell,Meyer,

4、Sievers膜电势——电渗析和膜电极的基础1950Juda,Mcrae发明了电渗析1960Loeb,Sourirajan相转化法制出反渗透非对称膜1968N.N.Li发明液膜随着膜材料、制膜方法以及膜应用的不断发展，膜分离技术逐渐成为分离技术大家族中的重要成员。与传统的分离技术（例如：过滤、蒸馏、萃取、电泳和1层析等）相比，膜分离技术的分离精度高、易于操作和管理、在应用中对环境造成的二次污染小。正是由于这些优点，膜分离技术在短短的半个世纪中就发展成为一种重要的单元分离工艺，并且发展出若干具有不同特点和应用领域的膜分离过程。主要的膜分离过程包括：微滤（MF）、超滤（UF）、纳

5、滤（NF）、反渗透（RO）、透析（DA）、电渗析（ED）、电脱盐（EDI）、渗透汽化（PV）、膜萃取（ME）、膜蒸馏（MD）、液膜技术（LM）和气体分离（GS）等。表2将主要的膜分离过程做了分类和介绍。按照这些膜分离过程所能分离物质的不同物理尺寸，我们可以画出分离谱图，如图1。表2主要的膜分离过程膜过程驱动力用途微滤压力差分离液体中的大颗粒物质超滤压力差分离液体中的颗粒和溶解的大分子物质纳滤压力差脱除水中的硬度和小分子有机物反渗透压力差脱除水中的盐分透析浓度差脱除溶液中的盐分及小分子物质电渗析电位差脱除水中的盐分渗透汽化浓度差脱除液体中的有机物气体分离浓度差分离、制备高纯度气

6、体-10-9-8-7-6-5101010101010m孔径1Å2510Å2050100Å2005001000Å200050001µm2510µm-蔗糖卵清蛋白病毒H2Cl各种胶体油乳化液乳胶大肠杆菌葡萄球菌-OH分离O2+H对象CO2Ca2+H2OMg2+渗透汽化透析（PV）纳滤分离方法超滤（UF）反渗透微滤（MF）气体分离电渗析（ED）（GS）一般过滤图1分离谱图2.反渗透和纳滤基本原理当一张半透膜隔开溶液与纯溶剂时，加在溶液上并使其恰好能阻止纯溶剂进入溶液的额外压力称之为渗透压，通常溶液中溶质的浓度越高渗透压就越大。当溶液一侧没有加压时，纯溶剂会通过半透膜向溶液一侧扩散，

7、这一现象称为渗透（Osmosis）。反之，如果加在溶液侧所加压力超过了渗透压，则反而可以使溶2液中的溶剂向纯溶剂一侧流动，这个过程就叫做反渗透（ReverseOsmosis），如图2所示。反渗透膜分离技术就是利用反渗透原理分离溶质和溶剂的方法。反渗透膜分离技术具有以下特点：z在常温不发生相变化的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离、浓缩，并且与有相变化的分离方法相比，能耗较低；z杂质去除范围广，不仅可以去除溶解的无机盐类，而且还可以去除各类有机物杂质；z脱盐率高；z由于只是利用压力作