反渗透 (RO) 工艺如何工作？

　　水作为纯净物质存在于自然界中，但通常不以纯净形式存在。许多物质很容易与水结合。当水与物质接触时，它们要么变成溶解的固体，如矿物质、气体和有机化合物，要么变成悬浮的固体，如粘土、淤泥和微生物。

　　含有溶解固体的混合物通常称为溶液。当盐（氯化钠）等溶质材料溶解在水等溶剂中时，就会形成溶液。当盐粒与水接触时，盐会溶解并扩散到整个水中，直到作为固体的盐不再存在。盐离子仍然存在，但它们现在作为溶液的一部分存在于液相中，现在称为溶解离子。这些离子带有正电荷或负电荷，如果它们带有正电荷，则在此称为阳离子，如果它们带有负电荷，则称为阴离子。糖和淀粉等有机物也会溶解并形成通常不会电离的溶液。

　　悬浮固体是不溶于溶剂（如水）的物质，在混合物中以不均匀分布的颗粒形式存在。大于 5 微米的悬浮固体在反渗透膜元件之前通过预过滤过滤掉。

　　溶液中离子材料（溶解固体）的存在会增加溶液的电导率或导电能力。因此，可以使用电导率测量测试装置作为估算水中溶解固体数量的手段。电导率越高，溶解的固体含量越高。溶解和悬浮固体的存在可能对许多水应用有害，例如生产用于发电的蒸汽或用于制备食品和药物材料的配料水。在用于这些和许多其他应用之前，必须从水中去除或减少这些溶解和悬浮的固体。去除大多数这些污染物的一种有效方法称为反渗透 (RO)

　　渗透是一种自然现象，当两种溶解固体浓度不同的溶液被半透膜隔开时就会发生。在自然渗透中，此应用中的溶剂或水从离子材料浓度较低的溶液穿过膜到离子浓度较高的溶液中。这个过程一直持续到两种溶液的离子浓度相等，或者直到水通过膜的结果达到溶液的渗透压，如果溶液被困在容器中，如图 1 所示。

　　反渗透是这种自然现象的逆转，通过对含有较高浓度溶解离子的溶液施加外部压力，迫使水以相反的方向通过半透膜，留下溶解的离子和悬浮的固体。如图 2 所示。在反渗透过程中，通过膜的水通常被称为渗透水或产品水，留在膜后面的水与溶解和悬浮的固体一起被称为渗透水。浓缩、盐水或废水。

　　由于多种原因，将所有处理过的水都转化为产品水是不切实际的，其中包括由于溶解离子聚集在膜一侧的浓度而产生的渗透压，以及无法保持膜游离如果不去除，悬浮固体会污染膜表面。

　　通过膜的产品水通过率或生产率称为通量率，通常以“每平方英尺膜表面每天加仑数”或“每反渗透膜每天加仑数”表示。特定膜的通量率通常受到若干因素的限制，包括温度、操作压力和表面冲洗作用以保持膜表面清洁悬浮固体的要求。通常较高的通量率会导致较高的结垢率。

　　给水转化为产水的回收率一般以百分比的形式表示，以产水的比例表示为回收率。例如，如果 RO 装置的进料流速为 100 gpm，RO 的产品率为 75 gpm，则回收率为 75%。剩余的 25 gpm 没有通过膜，否则浓缩水将被丢弃且无法回收。

　　反渗透膜截留是限制溶解离子通过膜的能力的表达，通常以百分比表示。膜的进水含有 100 ppm 的溶解固体，所得产品水在处理后仅含有 2 ppm 的溶解固体，所得溶解离子去除率为 98%。该表达式的反面有时也被使用，称为盐通过率，对于我们的示例，它等于盐通过率，而对于我们的示例，盐通过率等于 2%。由于膜的缺陷和膜元件的结构，100% 的膜截留率是不切实际的。

　　当合成的半透膜材料包装在合适的膜元件中时，反渗透在水处理中变得实用。通常，膜元件由两种类型的膜材料之一构成，包括醋酸纤维素或三醋酸纤维素，或某种类型的塑料基材料，例如聚酰胺或聚砜基材料。然后将这些材料排列成四种元件配置中的一种，包括平板、管状、中空纤维或螺旋缠绕，后两种配置是当今技术中最常见的。膜材料和元件配置的选择基于许多因素，包括水化学、空间限制、产水质量要求和系统预处理设计。

　　螺旋缠绕膜元件材料构造由首先折叠并密封以形成具有一端开口的信封的平板膜构成。放置在封套内的多孔背衬材料将膜片分开并在它们之间形成流动通道。然后将外壳的开口端连接并密封在穿孔的塑料渗透管周围，这允许产品水或渗透物进入产品管，如图 3 所示。

　　为了紧凑，膜材料的外壳然后以螺旋缠绕方式缠绕在渗透管周围，粗塑料筛网被称为盐水通道筛网，被包括在包裹物中。这在膜的表面之间形成了一个流动通道，在那里进水进入元件，然后浓缩液或盐水流流出元件，如图 3 所示。然后用半刚性玻璃纤维外包裹物覆盖该元件用于保护和帮助保持统一的圆形。元件的最终尺寸通常约为 40 英寸长，直径为 4 英寸或 8 英寸。

　　然后将这些元件放入一个或多个圆柱膜元件外壳中，根据单元设计，该外壳可以包含一到七个膜元件。一旦膜元件被容纳在膜元件外壳中，该组件通常被称为模块。见图 4。

　　加压给水被引入组件或膜元件外壳的一端。部分水在进料压力的驱动下通过 RO 压力容器进料口渗透膜并进入产品管并从元件外壳产品端口离开膜元件外壳作为产品水，较少的大部分溶解固体和所有悬浮固体。剩余的水与浓缩的溶解和悬浮固体一起沿膜表面通过，并作为浓缩液、盐水或从膜元件浓缩液端口流出的废液流出元件外壳。浓缩水分为循环水流和浓缩水流。再循环部分通过返回入口管道与给水混合，从而实现更高的机器渗透回收率。

　　当需要的产品水多于一个组件所能生产的水时，膜元件外壳或组件通常分阶段布置。模块的分段设计旨在优化穿过膜表面的水流模式。这种均匀的水流促进了整个膜表面的良好冲洗速度，以防止悬浮固体在表面积聚，从而污染膜元件并降低生产率。

　　阵列的一个简单示例是包含三个模块的单元，其中两个模块在第一阶段并联，第三个模块在第二阶段的前两个模块之后串联。在这种情况下，单元的给水首先被分成两股流，每一半被引导到第一阶段模块中的一个。在进入这两个模块时，一些产品水从普通产品水管道中的膜元件的每一侧产生。没有渗透过膜的水作为浓缩物与留下的溶解和悬浮固体一起从组件中排出。然后将这些水收集到一个公共的第一级浓缩液集管器或废液集管器中，并引导至第三个模块的进料，该模块串联在前两个模块后面，再次重复该过程。第二阶段产品或渗透物被添加到第一阶段产品中，第二阶段浓缩物或废物流被引导通过控制阀，然后与大部分溶解和悬浮固体一起处理。

　　如前所述，产品回收率是作为产品水回收的水量与作为给水提供给 RO 单元的水量之比。自然，在理想情况下，您希望回收所有的水，但由于如下所述的几个原因，这是不切实际的。

　　如果所有处理过的水都转化为产品水，则将没有水可用于冲洗膜表面，去除残留的悬浮固体。因此，悬浮固体会积聚在膜表面并逐渐限制产品水的流动，​​直到无法产生渗透物或产品水。

　　一些溶解固体的存在，例如二氧化硅、钡、锶或钙和镁，当与碳酸根或硫酸根离子一起存在时，由于它们在水中的溶解度有限，因此比其他溶解固体更能限制 RO 装置的回收。例如，进水中二氧化硅 SiO2 的存在通常是 RO 回收的限制因素，因为当它达到 100-120 ppm 的浓度时，它开始从溶液中沉淀出来。这意味着，如果进水含有 30 PPM SiO2，则产品水的回收率限制在约 75%，因为 SiO2 浓度将被浓缩 4 倍，这将导致 RO 废液中的二氧化硅浓度约为 120 ppm，即其溶解度的极限。如果你试图回收 80% 的水，SiO2 的浓度将达到给水浓度约 150 PPM 的五倍，并开始沉淀，污染膜表面。新型阻垢剂和清洁剂的发展有助于提高其中一些恢复水平。