6）耐温、耐蚀、耐氧化、耐辐射、耐水解和耐生物侵袭等性能要好。 7）使用寿命要长，成本要低。
1.4.3 渗透压
溶液的自然渗透压与溶液中溶质的浓度和性质有关。溶液中溶解盐类的浓度越高，渗透压越高，进行反渗透所需要的推动力也越高。能够使渗透作用反向进行的最低压力取决于薄膜两侧的浓度差。一般当两侧浓度差为1500mg/L时，此压力为1kg/cm2左右。但实际上，为了取得具有经济价值的足够的水透过量，采用的压力为它的几十倍。几种盐溶液的典型渗透压如表1.2所示。
表1.2 几种盐溶液的典型渗透压
化合物 氯化钠 氯化钠 重碳酸钠 硫酸钠 硫酸镁 氯化镁 氯化钙 浓度（mg/L） 35000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 [15]
2渗透压（25℃，kg/cm） 27.89 0.80 0.90 0.42 0.25 0.68 0.58 1.5 反透膜的传质机理和模型
关于反渗透膜的透过机理，自20世纪50年代末以来，许多学者先后提出了几种不对称反渗透膜的透过机理和模型，现简单介绍如下三种理论。
1.5.1 氢键理论
由里德（Reid）等人[8]提出，并用醋酸纤维素膜加以解释。这种理论是基于一些离子和分子能与膜的氢键结合而发生联系，从而由这些联系发生线形排列型的扩散来进行传递。简单地说，在压力作用下，溶液中的水分子和醋酸纤维素的活化点―羰基上氧原子形成氢键，而原来水分子形成的氢键被断开，水分子解离出来并随之转移到下一个活化点，形成新的氢键，于是通过这一连串的氢键形成与断开，使水分子离开膜表面的致密活性层，而进入膜的多孔层，由于多孔层含有大量的毛细管水，因此水分子能畅通流出膜外[17]，如图1.2所示。
醋酸纤维素的表面活性层只含有结合水，而多孔层除结合水外主要含有大量的毛细管水。在结合水中依靠氢键与膜保持紧密结合的称一级结合水，保持
9
较松散结合的称二级结合水。一级结合水的介电常数很低，对离子无溶剂化作用，离子不能进入一级结合水而透过膜。二级结合水的介电常数与普通水相同，离子可以进入并透过膜。理想的膜表面只存在一级结合水，因此对离子有极高的分离率，但实际上膜表面含有少量二级结合水，同时膜表面存在的某些缺陷，会使少量溶质透过膜从而不能达到百分之百的分离。
图1.2 水在醋酸纤维素膜中传递的氢键理论示意图 1.5.2 选择性吸附——毛细流动理论 与氢键理论完全不同，它把反渗透看作是一种微细多孔结构物质，这符合醋酸纤维素膜表面膜致密层情况。该理论以吉布斯自由能吸附方程为基础，认为当盐的水溶液与多孔反渗透膜表面接触时，膜具有选择吸附纯水而排斥溶质（盐分）的化学特性。也即膜表面由于亲水性原因，可在固—液表面上形成厚度为1个水分子厚（0.5nm）的纯水层。在施加的压力作用下，纯水层中水分子便不断通过反渗透膜。盐类溶质则被膜排斥，并且化合价愈高的离子被排斥愈远。膜表皮层具有大小不同的极细孔隙，当其中的孔隙为纯水层厚度的一倍（约1nm）时，称为膜的临界孔径。当膜表层孔径在临界范围以内时，孔隙周围的水分子就会在反渗透压力的推动下，通过膜表皮层的孔隙源源不断地流出成为纯
10
水，从而达到脱盐的目的，如图1.3所示。而当膜的孔隙大于临界孔径时，透水性增加，但盐分容易从孔隙中漏过，就导致脱盐率下降。
（a） （b） （a） 选择吸附； （b） 透过孔的水流线 图1.3 反渗透除盐的选择性吸附－毛细流动机理 1.5.3 溶解扩散理论
朗斯代尔（Lonsdale）和赖利（Riley）等人提出了溶解扩散理论[8]。该理论假设膜是无缺陷的“完整的膜”，溶剂与溶质透过膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解，膜中溶解量的大小服从亨利定律。然后各自在浓度或压力造成的化学位差的推动力下，从膜的一侧向另一侧进行扩散，直至透过膜。
具体过程可分为三步：
第一步，溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解；
第二步，溶质和溶剂之间没有相互作用，它们在各自化学位差的推动下仅以分子扩散方式通过反渗透膜的活性层；
第三步，溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。
在上述过程中，一般假设第一、三步进行很快，故透过速率取决于第二步，即溶质和溶剂在化学位差的推动下以分子扩散通过膜的速度。溶质和溶剂在膜中的扩散服从费克（Fick）定律，这种模型认为溶质和溶剂都可能溶于均质或非多孔型膜表面，以化学位差为推动力（常用浓度差或压力差来表示），分子扩散使它们从膜中传递到膜外部。因此，物质的渗透能力不仅取决于扩散系数，而且取决于其在膜中的溶解度。溶质的扩散系数比水分子的扩散系数小得越多，高压下水在膜内的移动速度就越快，因而透过膜的水分子数量就比通过扩散而透过去的溶质数量更多。
11
1.6 反渗透膜组件
在所有的反渗透装置中，最终都是由反渗透膜组件来执行脱盐功能，它是反渗透技术的核心，反渗透膜的自身结构及性能直接关系到反渗透系统的运行和稳定性能。目前市场上常用的商品膜有：
1 美国DOW—FILMTEC公司的DOW（陶氏）膜；
2 美国HYDRANAUTICS公司的HYDRANAUTICS（海得能）膜； 3 日本东丽TORAY公司的TORAY（东丽）膜； 4 美国KOCH公司的KOCH膜等。
反渗透技术中使用较多的膜组件按其构造型式可分为：平板式、管式、卷式和中空纤维式四种。事实上，由于卷式反渗透膜元件具有结构简单、造价低廉和不易污染等特点，因而当前其在水的净化和分离处理中已经得到了广泛地应用。下面就以上所述四种膜组件分别予以简单介绍。
1.6.1 平板式
平板式膜组件是最早使用的一种膜组件，它好比一种简单的压力过滤容器，其工作原理和结构形式均与一般的过滤设备相似。这种形式的装置系由艾劳杰特(Aerojet)通用公司发展起来的。膜支撑体在一种圆形平板上，这块平板称为多孔板，常见的有不锈钢多孔板和聚氯乙烯多孔板，产水通过多孔板汇集起来，在较小的装置中，产水在板的边缘混合起来，较大的装置产水由轴心开凿水道，料液和产品液由圆环密封保持分离状态。料液在设备中流动是经螺旋折流后引导出来的[3]。图1.4为平板式反渗透膜组件结构示意图。
图1.4 平板式反渗透膜组件结构示意图
12
