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          反滲透中的“疑難雜癥”

          2016-04-18 17:24:57  來(lái)源:大鵬
          *早使用于美國(guó)太空人將尿液回收為純水使用。醫(yī)學(xué)界還以反滲透法的技術(shù)用來(lái)洗腎(血液透析)。反滲透膜可以將重金屬、農(nóng)藥、細(xì)菌、*、雜質(zhì)等徹底分離。整個(gè)工作原理均采用物理法,不添加任何殺菌劑和化學(xué)物質(zhì),所以不會(huì)發(fā)生化學(xué)變相。并且反滲透膜并不分離溶解氧,所以通過(guò)此法生產(chǎn)得出的純水是活水,喝起來(lái)清甜可口。
          反滲透,英文為Reverse Osmosis,它所描繪的是一個(gè)自然界中水分自然滲透過(guò)程的反向過(guò)程。早在1950年美國(guó)科學(xué)家DR.S.Sourirajan有一回?zé)o意中發(fā)現(xiàn)海鷗在海上飛行時(shí)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(chǎn)生疑問(wèn):陸地上由肺呼吸的動(dòng)物是絕對(duì)無(wú)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(xué)家把海鷗帶回了實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)過(guò)解剖發(fā)現(xiàn)在海鷗嗉囊位置有一層薄膜,該薄膜構(gòu)造非常精密。海鷗正是利用了這薄膜把海水過(guò)濾為可飲用的淡水,而含有雜質(zhì)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(jiǎn)稱 R.O)的基本理論架構(gòu)。

          工作原理

          編輯
          對(duì)透過(guò)的物質(zhì)具有選擇性的薄膜稱為半透膜,一般將只能透過(guò)溶劑而不能透過(guò)溶質(zhì)的薄膜稱之為理想半透膜。當(dāng)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(cè)時(shí),稀溶液中的溶劑將自然穿過(guò)半透膜而自發(fā)地向濃溶液一側(cè)流動(dòng),這一現(xiàn)象稱為滲透。當(dāng)滲透達(dá)到平衡時(shí),濃溶液側(cè)的液面會(huì)比稀溶液的液面高出一定高度,即形成一個(gè)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(zhì),即與濃溶液的種類、濃度和溫度有關(guān)而與半透膜的性質(zhì)無(wú)關(guān)。若在濃溶液一側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí),溶劑的流動(dòng)方向?qū)⑴c原來(lái)的滲透方向相反,開(kāi)始從濃溶液向稀溶液一側(cè)流動(dòng),這一過(guò)程稱為反滲透。 反滲透是滲透的一種反向遷移運(yùn)動(dòng),是一種在壓力驅(qū)動(dòng)下,借助于半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分開(kāi)的分離方法,它已廣泛應(yīng)用于各種液體的提純與濃縮,其中*普遍的應(yīng)用實(shí)例便是在水處理工藝中,用反滲透技術(shù)將原水中的無(wú)機(jī)離子、細(xì)菌、*、有機(jī)物及膠體等雜質(zhì)去除,以獲得高質(zhì)量的純凈水。

          技術(shù)基礎(chǔ)

          編輯
          滲透膜早已存在于自然界中,但直到1748年,Nollet發(fā)現(xiàn)水能自然的擴(kuò)散到裝有酒精溶液的豬膀胱內(nèi),人類才發(fā)現(xiàn)了滲透現(xiàn)象。
          自然的滲透過(guò)程中,溶劑通過(guò)滲透膜從低濃度向高濃度部分?jǐn)U散;而反滲透是指在外界壓力作用下,濃溶液中的溶劑透過(guò)膜向稀溶液中擴(kuò)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(guò)程的傳質(zhì)機(jī)理及模型來(lái)說(shuō),主要有三種學(xué)說(shuō):
          1、溶解-擴(kuò)散模型
          Lonsdale等人提出解釋反滲透現(xiàn)象的溶解-擴(kuò)散模型。他將反滲透的活性表面皮層看作為致密無(wú)孔的膜,并假設(shè)溶質(zhì)和溶劑都能溶于均質(zhì)的非多孔膜表面層內(nèi),各自在濃度或壓力造成的化學(xué)勢(shì)推動(dòng)下擴(kuò)散通過(guò)膜。溶解度的差異及溶質(zhì)和溶劑在膜相中擴(kuò)散性的差異影響著他們通過(guò)膜的能量大小。其具體過(guò)程分為:*步,溶質(zhì)和溶劑在膜的料液側(cè)表面外吸附和溶解;第二步,溶質(zhì)和溶劑之間沒(méi)有相互作用,他們?cè)诟髯曰瘜W(xué)位差的推動(dòng)下以分子擴(kuò)散方式通過(guò)反滲透膜的活性層;第三步,溶質(zhì)和溶劑在膜的透過(guò)液側(cè)表面解吸。
          在以上溶質(zhì)和溶劑透過(guò)膜的過(guò)程中,一般假設(shè)*步、第三步進(jìn)行的很快,此時(shí)透過(guò)速率取決于第二步,即溶質(zhì)和溶劑在化學(xué)位差的推動(dòng)下以分子擴(kuò)散方式通過(guò)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(zhì)的滲透能力,不僅取決于擴(kuò)散系數(shù),并且決定于其在膜中的溶解度。
          溶劑和溶質(zhì)在膜中的擴(kuò)散服從Fick定律,這種模型認(rèn)為溶劑和溶質(zhì)都可能溶于膜表面,因此物質(zhì)的滲透能力不僅取決于擴(kuò)散系數(shù),而且取決于其在膜中的溶解度,溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)比水分子的擴(kuò)散系數(shù)要小得多,因而透過(guò)膜的水分子數(shù)量就比通過(guò)擴(kuò)散而透過(guò)去的溶質(zhì)數(shù)量更多。
          2、 優(yōu)先吸附—毛細(xì)孔流理論
          當(dāng)液體中溶有不同種類物質(zhì)時(shí),其表面張力將發(fā)生不同的變化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有機(jī)物質(zhì),可使其表面張力減小,但溶入某些無(wú)機(jī)鹽類,反而使其表面張力稍有增加,這是因?yàn)槿苜|(zhì)的分散是不均勻的,即溶質(zhì)在溶液表面層中的濃度和溶液內(nèi)部濃度不同,這就是溶液的表面吸附現(xiàn)象。當(dāng)水溶液與高分子多孔膜接觸時(shí),若膜的化學(xué)性質(zhì)使膜對(duì)溶質(zhì)負(fù)吸附,對(duì)水是優(yōu)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(guò)膜表面的毛細(xì)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(qū)域和非晶相區(qū)域兩部分。大分子之間存在牢固結(jié)合并平行排列的為晶相區(qū)域,而大分子之間完全無(wú)序的為非晶相區(qū)域,水和溶質(zhì)不能進(jìn)入晶相區(qū)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(huì)形成氫鍵并構(gòu)成所謂的結(jié)合水。當(dāng)醋酸纖維素吸附了*層水分子后,會(huì)引起水分子熵值的*下降,形成類似于冰的結(jié)構(gòu)。在非晶相區(qū)域較大的孔空間里,結(jié)合水的占有率很低,在孔的中央存在普通結(jié)構(gòu)的水,不能與醋酸纖維素膜形成氫鍵的離子或分子則進(jìn)入結(jié)合水,并以有序擴(kuò)散方式遷移,通過(guò)不斷的改變和醋酸纖維素形成氫鍵的位置來(lái)通過(guò)膜。
          在壓力作用下,溶液中的水分子和醋酸纖維素的活化點(diǎn)——羰基上的氧原子形成氫鍵,而原來(lái)水分子形成的氫鍵被斷開(kāi),水分子解離出來(lái)并隨之移到下一個(gè)活化點(diǎn)并形成新的氫鍵,于是通過(guò)一連串的氫鍵形成與斷開(kāi),使水分子離開(kāi)膜表面的致密活性層而進(jìn)入膜的多孔層。由于多孔層含有大量的毛細(xì)管水,水分子能夠暢通流出膜外。


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