反渗透膜的制备技术

反渗透膜的制备技术

反渗透是利用反渗透膜只透过溶剂而截留离子或小分子物质的选择透过性，以膜两侧的静压差为推动力，实现对混合物分离的膜过程。

在一定温度下，用一个只能使溶剂透过而不能使溶质透过的半透膜把稀溶液与浓溶液隔开，由于浓溶液中水的化学势小于稀溶液中水的化学势，水就会自发地通过半透膜从稀溶液进入到浓溶液中，使浓溶液液面上升，直到浓溶液液面升到一定高度后达到平衡状态。这种现象称为渗透(osmosis)或正渗透。如图1所示，半透膜两侧液面高度差所产生的压差称为浓溶液和稀溶液的渗透压差Δπ,如果稀溶液的浓度为零，渗透压差即为（浓）溶液的渗透压π；如果在浓溶液上方施加压力ΔP，如果ΔP大于Δπ，则浓溶液中的水便会透过半透膜向稀溶液方向流动，这一与渗透相反的过程称为反渗透(reverse osmosis,RO)[1]。

（a）渗透（b）反渗透

图1 渗透与反渗透

由于反渗透膜的截留尺寸为左右，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等（去除率达97～98%），系统具有水质好、能耗低、无污染、工艺简单、操作方便等优点，其已广泛应用在苦咸水脱盐、海水淡化、废水处理、纯水制备、食品和医药等方面，被称为“2l世纪的水净化技术”。[2]

1．1 反渗透复合膜发展概括

人类发现渗透现象至今已有260多年历史。1748年，法国的Abble Nollet发现水能自发地扩散进入装有酒精溶液的猪膀胱内，并首创osmosis一词用来描述水通过半透膜的现象，成为第一例有记载的描述膜分离的试验。在接下来的100多年里，渗透作用引起了科学家们极大的兴趣。最初实验用膜都是动物或植物膜，直到1864年，Traube才成功研制了人类历史上第一张人造膜—亚铁氰化铜膜。该膜对稀电解质溶液表现出显着的选择通过性，尤其渗透压现象引起了极大的关注。Preffer用这种膜以蔗糖和其他溶液进行实验，把渗透压和温度及溶液浓度联系起来，给出了计算渗透压的关联式。1887年Van't Hoot依据Preffer的结论建立了完整的稀溶液的理论，其后J．W．Gills提供了认识渗透压及它与其他热力学性能关系的理论，为渗透现象的研究工作奠定了坚实的理论基础。在对渗透现象进行了一系列的研究后，富于创造性的科学家们并未止步于此。1930年，Sollner进行了反渗透的初步研究，当时人们称之为“反常渗透”。1949年，美国加利福尼亚州立大学洛杉矶分校(UCLA)的Gerald Hassler教授开始了“将海水作为饮用水的水源’’的研究，描述了“阻挡盐分渗透的膜”和“选择性渗透膜层"，最早提出了膜法脱盐的概念。尽管Hassler教授的研究未取得理想的结果，但这为后来的反渗透研究工作奠定了基础。1953年，美国的C．E Reid教授首先发现醋酸纤维素类具有良好的半透性；同年，反渗透在Reid教授的建议下被列入美国国家计划。1960年UCLA的Samuel Yuster，Sidney Loeb和Srinivasa Sourirajan等在对膜材料进行了大量的筛选工作后，以醋酸纤维素(E-398-3，乙酰含量39．8％)为原料，采用高氯酸镁水溶液为添加剂，经反复研究和试验，终于首次制成了世界上具有历史意义的高脱盐(98．6％)、高通量下水透过速度为O．3×10-3cm3／s，合259L／d*m2)的不对称反渗透膜。该膜由一

层很薄的致密层(厚度约15～25nm)和一个多孔支撑层(>100um)组成。不对称膜的制备成功成为膜发展史上的第一个里程碑，极大地促进了反渗透膜技术的发展。膜科学技术的发展并没有因为第一张实用反渗透膜的发明而停止。1963年Manjikion对CA膜进行了改性，1968年Saltonstall研制了CA-CTA(三醋酸纤维素)共混膜。醋酸纤维素类膜制作较容易，价格便宜，耐游离氯，膜面平滑不易结垢，但应用pH范围窄，耐热性差，易发生化学及生物降解且对操作压力要求高。针对这些缺点，美国Du Pont公司开发出一种α-PA(芳香族聚酰胺)反渗透膜。与醋酸纤维素类膜相比，芳香族聚酰胺类膜具有脱盐率高、通量大、应用pH范围宽、耐生物降解、操作压力要求低等优点。70年代初该公司成功推出一种由α-PA中空纤维反渗透膜制成的“Permasep B-9”渗透器(获1971年美国Kirkpatrick化学工程最高奖)，使反渗透的性能有了大幅度的提高。同期，德国、中国和前苏联也相继开发出了自己的聚酰亚胺R0膜和聚砜酰胺RO膜。复合膜的研究始于20世纪60年代中期。70年代问世的NS-100复合膜(聚乙烯亚胺与甲苯二异氰酸酯在聚苯乙烯基膜上复合而成)是膜技术发展史上的又一个里程碑。1980年Filmtec公司推出了性能优异、实用的FT-30复合膜(间苯二胺和均苯三甲酰氯界面聚合而得)，实现了反渗透复合膜技术的商品化，从而使反渗透复合膜技术取得划时代的进步。80年代末高脱盐率的全芳香族聚酰胺复合膜工业化；90年代中期超低压和高脱盐全芳香族聚酰胺复合膜开始进入市场；2000年初耐污染、高脱硼、极低压和高压聚酰胺复合膜相继出现……从而为反渗透技术的进一步发展开辟了广阔的前景[3][4]。

1．2反渗透膜的结构

反渗透膜按结构来分主要有两种：不对称反渗透膜和反渗透复合膜[5]，其示意图如图2所示。

（a）非对称反渗透膜（b）复合反渗透膜

图2 反渗透膜结构示意图

非对称反渗透膜一般由相转化法一步制备，具有以下两个特点：一是致密皮层与支撑层为同一种膜材料；二是致密皮层与支撑层是同时制备、形成的。由于其对溶质起分离作用的致密皮层较厚（约μm），因此水通量较小[6]。

复合反渗透膜是由致密的超薄分离层（约μm）、多孔支撑层（40～70μm）和织物增强层（约 110μm）组成。一般先在织物增强层上制备多孔支撑层，再在其上制备致密皮层，分两步完成。通用的复合膜大多是在多孔聚砜支撑膜表面采用界面聚合法制得致密的交联芳香聚酰胺超薄分离层，这种膜的水通量较高。

复合反渗透膜与不对称反渗透膜比较，具有如下优点[7]：

(1)反渗透复合膜是在支撑膜上复合一层致密分离层而制得，可以分别选用不同的膜材料制备致密皮层和多孔支撑层，并能控制多孔支撑层的孔隙率、孔结构等，通过调节，可以满足不同的分离要求。而不对称反渗透膜的致密皮层与多孔支撑层通常为同一材料，没有明显的界面，结构难以控制；

(2)复合反渗透膜中的超薄分离层可由线性聚合物和交联聚合物组成，可用的聚合物种类较多。而非对称反渗透膜则要求可溶性聚合物，还需具有脱盐功能和合适的水通量，所以可用的聚合物十分有限，主要是醋酸纤维素和可溶性的聚酰胺；

(3)反渗透复合膜中的致密皮层可以在多孔支撑层上直接反应得到高亲水性的交联聚合物，使分离层既具有高亲水性，又有好的耐溶胀性，在高脱盐的情况下能保持高的水通量。而非对称反渗透膜一般通过相转化法一步完成，分离层较厚，水通量相对较