基本知识

反渗透基础知识汇编（图文版）

一、反渗透的基本原理

反渗透（Reverse Osmosis，RO）是常见的水处理净化技术。通过对进水和反渗透膜施加高压，使水从膜的一侧（给水侧）流动到另外一侧（产水侧）。

进水中大部分的其他成分，如溶解的盐、颗粒、细菌和热原，将留在膜的给水侧，最终作为废水排放。

图1：反渗透膜原理

为什么叫反渗透？

自然状态下，半透膜两侧的水由稀溶液→浓溶液流动，但当我们在浓溶液侧施加一个足够大的压力时，水会浓溶液→稀溶液逆向流动，这种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，所以被称为反渗透。

图2：反渗透示意图（图片来源于网络）

二、反渗透膜的结构及工作原理

①反渗透膜的结构

反渗透系统分为外部的膜壳和内部的卷式反渗透膜。要了解卷式反渗透膜，首先要知道一张反渗透膜的结构。

图3：反渗透膜三层示意图

一张这样的三层反渗透复合膜虽然是整个系统的灵魂，但并不能形成我们看到的“卷式”膜。实际上“一卷”常见的反渗透膜，主要分为五个结构：两端端盖、中心管、O型密封圈、反渗透膜、进水/产水分离格网。

图4：卷式反渗透复合膜外观

图5：卷式反渗透膜的基本结构

多张反渗透膜与产水/进水格网，一张一张依次交叠，在它们的边缘涂胶密封，再将其整体卷绕在中心管上。其中网格层：提供原水流入和产水流出的通道，防止RO膜片黏连，反渗透膜层：对进水脱盐与过滤。

图6：反渗透膜分层结构

②反渗透膜的工作原理

原水从进水格网进入反渗透膜，在压力作用下，水会穿过层层膜片进行过滤。通过反渗透膜的水，会被产水格网引入引向中心管最终形成RO水（图7绿色），而带有杂质的一部分浓水无法通过反渗透膜，会随着浓水路径被排掉（图7橙色）。

图7：反渗透的工作原理

三、反渗透膜的主要性能指标
反渗透系统的核心指标有脱盐率、产水量/膜通量、回收率等。

①脱盐率（SR）

脱盐率是反渗透膜性能的重要技术指标，代表着膜对于盐的去除能力。这里所说的“盐”并不是狭义的NaCl，而是各类离子，化学污染物（见图9）。进水盐度相同时，脱盐率越高，产品水的含盐量越低，反渗透膜性能越好。

图8：反渗透脱盐示意图

反渗透膜的标准脱盐率取决膜元件表面超薄脱盐层致密度，越致密脱盐率越高，产水量越低。但实际工作条件与标称测试条件不完全相同，反渗透膜的实际脱盐率是浮动的，低于标准脱盐率。

RO膜对不同物质的脱盐率不同，主要由物质的结构和分子量决定。对高价离子脱盐率可超过99%，对单价离子脱盐率超过98%，对分子量大于100的有机物脱除率超过98%，但对小分子量的有机物脱除率稍低。常见离子脱盐率如下：

图9：常见离子脱盐率（海德能某型号说明书）

总的来讲对于RO膜：有机物比无机物更容易去除，对于电解质：高价离子比单价离子容易去除，对于非电解质：分子越大越容易去除。

②产水量/膜通量

反渗透膜的产水能力，又称膜通量，即单位时间内透过RO膜的水量，通常用t/h表示。这里要了解2个重要的名词：渗透流率（GDF），即单位面积反渗透膜的液体透过率。影响反渗透膜产水量的因素，很多都通过影响渗透流率引起产水量变化。渗透流率越高，产水量越高；与之对应的是：膜的盐通量，即单位时间内、单位面积反渗透膜的盐通过率。这是影响反渗透膜脱盐率的因素。盐通量越高，脱盐率越低。最大渗透流率与膜的孔径、材料、工艺有关，理论上GDF越高产水量越大，但是过高时，垂直膜方向的水流速度、流量加大，可能加速膜的淤积和污染。

图10：反渗透系统水流方向示意图

图11：反渗透膜污染

③回收率（R）

回收率是指膜系统中进水转化成为产品水的百分比，可通过改变RO膜压力进行调整。这里强调一点，我们关注的不是反渗透膜的回收率，而是整个系统的总回收率。

图12：回收率与浓度因子关系

从图12可以看出：随着回收率上升，膜表面浓度因子迅速上升，回收率90%时浓缩因子骤增。一般来讲，水处理系统的回收率在50%到75%左右，不宜过高或过低。过低对于水资源严重浪费，过高进水浓缩，影响产品水水质，同时极易导致反渗透膜结垢，严重影响膜的使用寿命。

图13：反渗透膜结垢（碳酸钙/硫酸钙）

四、反渗透膜产水量与脱盐率的影响因素

大家对于“压力越高，产水量越大”、“温度每上升1℃，产水量变化3%”耳熟能详，但深究其原因，未必知晓。

①压力

压力是影响产水量的直接因素，产水量与膜的工作压力基本成正比，因为压力的增大直接提高了水过膜的直接动力，使得产水量直线上升，这点好理解。但是压力对于脱盐率的影响不一样，随着压力增大脱盐率的变化相对平缓，为什么？

这里我们提一个有意思的问题：脱盐率到底为什么会随着压力上升？

有更多的盐被截留了吗？实际上并没有，在一定压力范围内，进水压力基本不影响盐透过量。但压力增大，产水量上升，稀释了反渗透水的含盐量，被动引起脱盐率上升。

但随着压力继续增大，膜两侧的盐浓度差加大，达到一定压力时，透过膜的盐分在浓差极化作用下必然增加，一定程度上抵消了产水量上升带来的稀释作用，产水含盐量不再降低，脱盐率趋于稳定。

什么是浓差极化？

反渗透分离过程中，水分子透过后，膜表面的含盐量增大，从而形成高浓度的浓水层，此层会与水流形成较高的浓度梯度，这种现象称为膜的浓差极化。浓差极化增大了膜两侧的渗透压， 在同等压力下，系统的净驱动力减小，水通量下降。同时，由于浓差极化现象增大了膜两侧的盐浓度差，盐通量将上升，系统性能持续下降。

②温度

温度与反渗透可谓是相爱相杀，一到冬天多么能打的RO膜都要蔫下来。实际上进水温度没有直接影响反渗透膜的性能，而是影响了水的粘度：水温升高，水的粘度降低，膜的渗透流率上升，产水量也会随之升高。

著名的3%理论从何而来？小编找到了公式：膜的渗透流率受温度校正系数TFC影响，温度每增加1℃，TFC*1.03倍，膜渗透流率上升3%。

P2=P1×TFC

TFC = (1.03)(t1-t2)

在图中大家同样看到，温度上升，膜的脱盐率下降了。这是因为随着温度的升高，溶质的传质系数变大，通俗来讲就是盐扩散得更快了，此时必然会引起脱盐率下降。

温度对膜产水量的影响非常大，一般来RO膜的出厂标称产水量是针对25℃而言的，在购买水处理时，这就变成了“文字游戏”。例如：同样是2400L/h的水处理设备，25℃的2400产水与10℃的2400产水那可完全不是一个概念哦。

③进水浓度

进水含盐量越大，进水侧渗透压越高，这会减少膜两侧水的压力差，直接驱动力减小导致产水量下降。同时进水浓度越大，膜两侧的浓度差加大，透过膜进入产水侧的盐会增多，导致了脱盐率下降。

④进水pH值

进水的pH值不影响反渗透膜的产水量，但会对脱盐率有较大的影响。PH是如何影响RO膜脱盐率的呢？自然界中CO2可部分溶解于水，这是一个可逆化学反应。

酸性条件下，水中的CO2以气体的形式存在，碱性条件下，以碳酸根、碳酸氢根离子的形式存在。

图14：水中CO2形态与pH值的关系

反渗透膜对于一价/二价离子清除率较高，即碱性条件下形成的离子更容易被清除。但偏酸的时下，CO2气体却能够直接穿过膜。所以进水pH值越高，反渗透膜的脱盐率越高。pH值特别高的时候，RO膜容易结垢，脱盐率反而会下降。GB5749-2022《生活饮用水卫生标准》中规定自来水的pH在6.5到8.5之间。

⑤回收率

增加系统回收率时，膜压力升高，产水量升高，同时会导致反渗透膜表面溶质浓缩，即盐浓度增加，透过膜的盐更多，脱盐率下降，同时一旦盐浓度过高，超过其溶解度，RO膜就会结垢，严重影响膜的性能与使用寿命。