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    • 技術文章

      反滲透中的“疑難雜癥”

      2016-04-18 17:24:57  來源:大鵬
      *早使用于美國太空人將尿液回收為純水使用。醫學界還以反滲透法的技術用來洗腎(血液透析)。反滲透膜可以將重金屬、農藥、細菌、*、雜質等徹底分離。整個工作原理均采用物理法,不添加任何殺菌劑和化學物質,所以不會發生化學變相。并且反滲透膜并不分離溶解氧,所以通過此法生產得出的純水是活水,喝起來清甜可口。
      反滲透,英文為Reverse Osmosis,它所描繪的是一個自然界中水分自然滲透過程的反向過程。早在1950年美國科學家DR.S.Sourirajan有一回無意中發現海鷗在海上飛行時從海面啜起一大口海水,隔了幾秒后吐出一小口的海水。他由此而產生疑問:陸地上由肺呼吸的動物是絕對無法飲用高鹽份的海水,那為什么海鷗就可以飲用海水呢?這位科學家把海鷗帶回了實驗室,經過解剖發現在海鷗嗉囊位置有一層薄膜,該薄膜構造非常精密。海鷗正是利用了這薄膜把海水過濾為可飲用的淡水,而含有雜質及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴外。這就是以后逆滲透法(Reverse Osmosis 簡稱 R.O)的基本理論架構。

      工作原理

      編輯
      對透過的物質具有選擇性的薄膜稱為半透膜,一般將只能透過溶劑而不能透過溶質的薄膜稱之為理想半透膜。當把相同體積的稀溶液(例如淡水)和濃溶液(例如鹽水)分別置于半透膜的兩側時,稀溶液中的溶劑將自然穿過半透膜而自發地向濃溶液一側流動,這一現象稱為滲透。當滲透達到平衡時,濃溶液側的液面會比稀溶液的液面高出一定高度,即形成一個壓差,此壓差即為滲透壓。滲透壓的大小取決于溶液的固有性質,即與濃溶液的種類、濃度和溫度有關而與半透膜的性質無關。若在濃溶液一側施加一個大于滲透壓的壓力時,溶劑的流動方向將與原來的滲透方向相反,開始從濃溶液向稀溶液一側流動,這一過程稱為反滲透。 反滲透是滲透的一種反向遷移運動,是一種在壓力驅動下,借助于半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質與溶劑分開的分離方法,它已廣泛應用于各種液體的提純與濃縮,其中*普遍的應用實例便是在水處理工藝中,用反滲透技術將原水中的無機離子、細菌、*、有機物及膠體等雜質去除,以獲得高質量的純凈水。

      技術基礎

      編輯
      滲透膜早已存在于自然界中,但直到1748年,Nollet發現水能自然的擴散到裝有酒精溶液的豬膀胱內,人類才發現了滲透現象。
      自然的滲透過程中,溶劑通過滲透膜從低濃度向高濃度部分擴散;而反滲透是指在外界壓力作用下,濃溶液中的溶劑透過膜向稀溶液中擴散,具有這種功能的半透膜稱為反滲透膜,也稱RO(Reverse Osmoses)膜。
      世界上從反滲透過程的傳質機理及模型來說,主要有三種學說:
      1、溶解-擴散模型
      Lonsdale等人提出解釋反滲透現象的溶解-擴散模型。他將反滲透的活性表面皮層看作為致密無孔的膜,并假設溶質和溶劑都能溶于均質的非多孔膜表面層內,各自在濃度或壓力造成的化學勢推動下擴散通過膜。溶解度的差異及溶質和溶劑在膜相中擴散性的差異影響著他們通過膜的能量大小。其具體過程分為:*步,溶質和溶劑在膜的料液側表面外吸附和溶解;第二步,溶質和溶劑之間沒有相互作用,他們在各自化學位差的推動下以分子擴散方式通過反滲透膜的活性層;第三步,溶質和溶劑在膜的透過液側表面解吸。
      在以上溶質和溶劑透過膜的過程中,一般假設*步、第三步進行的很快,此時透過速率取決于第二步,即溶質和溶劑在化學位差的推動下以分子擴散方式通過膜。由于膜的選擇性,使氣體混合物或液體混合物得以分離。而物質的滲透能力,不僅取決于擴散系數,并且決定于其在膜中的溶解度。
      溶劑和溶質在膜中的擴散服從Fick定律,這種模型認為溶劑和溶質都可能溶于膜表面,因此物質的滲透能力不僅取決于擴散系數,而且取決于其在膜中的溶解度,溶質的擴散系數比水分子的擴散系數要小得多,因而透過膜的水分子數量就比通過擴散而透過去的溶質數量更多。
      2、 優先吸附—毛細孔流理論
      當液體中溶有不同種類物質時,其表面張力將發生不同的變化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有機物質,可使其表面張力減小,但溶入某些無機鹽類,反而使其表面張力稍有增加,這是因為溶質的分散是不均勻的,即溶質在溶液表面層中的濃度和溶液內部濃度不同,這就是溶液的表面吸附現象。當水溶液與高分子多孔膜接觸時,若膜的化學性質使膜對溶質負吸附,對水是優先的正吸附,則在膜與溶液界面上將形成一層被膜吸附的一定厚度的純水層。它在外壓作用下,將通過膜表面的毛細孔,從而可獲取純水。
      3、 氫鍵理論
      在醋酸纖維素中,由于氫鍵和范德華力的作用,膜中存在晶相區域和非晶相區域兩部分。大分子之間存在牢固結合并平行排列的為晶相區域,而大分子之間完全無序的為非晶相區域,水和溶質不能進入晶相區域。在接近醋酸纖維素分子的地方,水與醋酸纖維素羰基上的氧原子會形成氫鍵并構成所謂的結合水。當醋酸纖維素吸附了*層水分子后,會引起水分子熵值的*下降,形成類似于冰的結構。在非晶相區域較大的孔空間里,結合水的占有率很低,在孔的中央存在普通結構的水,不能與醋酸纖維素膜形成氫鍵的離子或分子則進入結合水,并以有序擴散方式遷移,通過不斷的改變和醋酸纖維素形成氫鍵的位置來通過膜。
      在壓力作用下,溶液中的水分子和醋酸纖維素的活化點——羰基上的氧原子形成氫鍵,而原來水分子形成的氫鍵被斷開,水分子解離出來并隨之移到下一個活化點并形成新的氫鍵,于是通過一連串的氫鍵形成與斷開,使水分子離開膜表面的致密活性層而進入膜的多孔層。由于多孔層含有大量的毛細管水,水分子能夠暢通流出膜外。


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