反渗透海水淡化技术及其应用

徐长发 ，华中科技大学， 2017.2.20

海水淡化是一项多么实用的技术啊。通俗地讲，这项技术就是用膜过滤海水从而得到淡水。从技术角度讲，就是利用反渗透技术，实现海水淡化。反渗透技术是一种新的过滤技术，它成本低，效率高，安全环保，实用面广。反渗透技术可应用于很多方面，例如滤除水中的微粒、有机物质、胶体物；废水处理；再高一点要求，水的软化处理；再高一点要求，实用水，注射水；还有，食品制造、医药工业、化学品的浓缩、分离、提纯等；凡是用水的地方，都可使用反渗透技术做水处理。

一．反渗透技术的原理

反渗透又称逆渗透，以压力差为推动力，从溶液中用膜分离出溶剂。对膜一侧的液体施加压力，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渗透液，溶剂；在高压侧得到浓缩液。

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。

为什么称为反渗透呢？如果把相同体积的稀溶液（如淡水）和浓液（如海水或盐水）用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧渗透，浓溶液的液面将会比稀溶液的液面高出一定高度，渗透平衡状态会出现压力差，这种压力差即为渗透压。渗透压的大小与浓液的种类，浓度和温度有关，与半透膜的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。

为什么在没有外加压力的情况下，低溶度和高浓度液体在渗透膜两侧会存在压力差？这是因为在渗透膜两侧存在化学势。因此，反渗透过程并不是像过筛子一样的那么简单。研究表明，特殊高分子材料做成的过滤膜存在表面吸附效应，过滤膜表面的液体浓度低于液体内的浓度；这种特殊过滤膜还有化学吸附表现，过滤膜自身在接触溶液时，会优先吸附水分子。于是，在高分子过滤膜的毛细孔隙间形成有一定厚度的纯水膜。当在浓的液体一方适当加压时，总是在膜的表面形成低溶度的表面层，在压力作用下，孔隙间的水的化学键不断被破坏，在压力作用下水离子扩散，扩散的水离子又不断组合成水分子。于是，人们就见到水被过滤出来。

在这种作用机制下，反渗透膜能够挡住钠离子、氯离子、钾离子等单价键的离子，更大直径的高价键的离子被挡住，杂质、有机物、细菌、病毒被挡住。现在的海水淡化以及太空人废水回收处理均采用此方法，因此反渗透膜膜又称体外的高科技“人工肾脏”。

二．反渗透膜的不同技术要求

针对不同的应用目的，可设计出各种性能的反渗透膜。

例如，有的要求过滤出来的水符合食用要求，有的则要求符合注射的标准。有的要求把水软化即可，有的要求过滤特殊物质，等等。

例如，有的不要求出水量大而要求在低压下工作，有的要求出水量大而要求在高压下工作。

例如，普通水处理的反渗透膜的工作温度一般为0-45摄氏度，但有些情形需要在90多摄氏度的高温状态下工作，当然需要设计出耐高温、耐化学药品、食品级的反渗透膜。

使用反渗透膜的最大问题是膜的孔隙被堵塞被污染，通常采用的办法是，使用一段时间后就要对膜进行反冲洗，或者化学清洗。于是，有人就设计出降低堵塞可能性、降低被污染可能性的产品，这种膜的使用寿命长、易清洗、低污染，大幅提高了反渗透膜稳定工作的时间，大幅度提高了工作效率。

现在，这些满足不同要求的反渗透膜在国内外市场上都可以买到。

三.反渗透技术的应用举例

1.海水淡化

海水淡化为出海工作的人带来极大的福音。现在，有专门用于海水淡化的膜，制作淡水的能力很强。对高价离子的脱盐率可以超过99%；对单价离子如，钠离子、钾离子、氯离子的脱盐率也超过了98%。海水淡化机已经普遍使用了，已经不稀奇了。

2.制作一般的食用水

现在，家庭、单位都普遍使用饮水机和“纯净水”，这些纯净水都是将普通的自来水利用反渗透技术制作的，这种水不仅过滤掉了一般的微小悬浮物，大分子有机物，就连单价离子的，钠离子、钾离子、氯离子也过滤干净了，非常卫生，可以放心食用。有人说，什么都滤掉了的水对人体健康不利，其实这种说法是不正确的，因为人们饮水就是为了补充水，补充对人体无害的水，并不是为了营养而喝水，营养物质可以从饭菜中获取。至于说水中的营养物质那是很少的，一根菜叶所含有的营养物质比起水中滤掉的营养物质要多得多。现在，一般家用自来水净化器也采用了反渗透技术。

3.中药有效成分提取物的制作

这是非常有前途的事情。大家知道，西药可以定量控制，中药则不行；而且中药熬制麻烦，药渣还多，中药使用不方便。现在，我国已经有不少公司，专门生产中药材提取物。大致流程是这样的，先把中药材带压熬制，再将药汤用反渗透技术浓缩，达到相当的浓度后再烘干制成粉剂，就得到中药材提取物。人们是否可以设想，将通常的中药配方的计量，折换成相应的中药材提取物的计量后，再配成全部用提取物构成的方剂，那么自己就不要熬制中药了。这些提取物都是水溶性的，喝中药就简单了。这种方法应该对发展中医药是有很大帮助的。

植物色素的提取，也是很简单的。把要做色素的植物先带压熬制，再将汤汁用反渗透技术浓缩，达到相当的浓度后再烘干制成粉剂。使用时，只有取少量粉剂溶解于水中即可使用。

4.其它应用

锅炉用水软化处理，可以防止锅炉结垢，提高热效率。

电子工业用水的处理，集成电路，硅精片，显示器，电极箔等电子元件，冲洗前后的液体有很多污染物，要环保处理。

化工行业用水，化工产品制造的给水和排水都要处理，化工循环水要达标。

其它工艺用水，像汽车、家电的涂装，镀膜，像化妆品生产，像印染，这些工艺过程的用水要处理，其废水也要处理。

制药工业用水，输液，针剂，片剂，生化制品，设备清洗等用水和排水都要达标处理。

食品工业，饮用水，饮料水，啤酒，白酒，保健品用水排水等都要达标处理。

哪里少得了呢用水呢？要用水就要达标，就要处理，就可以使用反渗透技术。

反渗透技术的应用范围极其广泛，不胜枚举。用此技术来处理水，既简便又达标，既省钱又环保。

四．我国反渗透技术的应用现状和研究现状

近年来，反渗透技术在国内得到广泛的应用，发展最快，普及最广。据估计，自1995年以来，反渗透膜的使用量每年平均递增20%；2000年和2001年的市场更为强劲。据估算，反渗透技术应用于水处理行业，每年所节省的费用是惊人的。

然而，目前我国使用的反渗透膜，有95%为进口膜，国产膜只有5%左右。就是说，我国研究和制作反渗透膜的技术和能力还较落后。现在，国家计委已经把反渗透膜的研发作为高新技术产业化的重点发展专项计划。在反渗透技术方面，中国正在奋力追赶。

反渗透膜的制作是建立在高科技基础上的，材料和构造是反渗透膜技术的关键。科学家们是经过了大量的研究试验，才筛选出了符合技术要求的材料，才完成了膜的既复杂又精细的构造，才有了现在市场上能买到的，能够满足不同需求的反渗透膜。所以，我国要获得具有自主产权的反渗透膜，要能够自主生产各种反渗透膜，不是一件很容易的事情，还需要认真地做好大量的基础研究工作。不过也应该看到，现在的中国经济基础雄厚了，研究人才雄厚了，技术储备雄厚了，取得反渗透膜方面自主产权和技术突破也就不会太难了。

此文章版权归属徐长发所有