百篇科普系列（17）—反滲透海水淡化技術及其應用
百篇科普系列（17）
反滲透海水淡化技術及其應用
徐長髮 ，華中科技大學， 2017.2.20.
海水淡化
是一項多麼實用的技術啊。通俗地講，這項技術就是用膜過濾海水從而得到淡水。從技術角度講，就是利用反滲透技術，實現海水淡化。反滲透技術是一種新的過濾技術，它成本低，效率高，安全環保，實用面廣。反滲透技術可應用於很多方面，例如濾除水中的微粒、有機物質、膠體物；廢水處理；再高一點要求，水的軟化處理；再高一點要求，實用水，注射水；還有，食品製造、醫藥工業、化學品的濃縮、分離、提純等；凡是用水的地方，都可使用反滲透技術做水處理。
一．
反滲透技術的原理
反滲透又稱逆滲透，以壓力差為推動力，從溶液中用膜分離出溶劑。對膜一側的液體施加壓力，當壓力超過它的
滲透壓
時，溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透，從而在膜的低壓側得到滲透液，溶劑；在高壓側得到濃縮液。
若用反滲透處理海水，在膜的低壓側得到淡水，在高壓側得到滷水。
為什麼稱為
反滲透
呢？如果把相同體積的稀溶液（如淡水）和濃液（如海水或鹽水）用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然的穿過半透膜，向濃溶液側滲透，濃溶液的液麵將會比稀溶液的液麵高出一定高度，滲透平衡狀態會出現壓力差，這種壓力差即為
滲透壓
。滲透壓的大小與濃液的種類，濃度和溫度有關，與半透膜的性質無關。若在濃溶液側施加一個大於滲透壓的壓力時，濃溶液中的溶劑會向稀溶液流動，此種溶劑的流動方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透。
為什麼在沒有外加壓力的情況下，低
溶度
和高濃度液體在滲透膜兩側會存在壓力差？這是因為
在滲透膜兩側存在化學勢
。因此，反滲透過程並不是像過篩子一樣的那麼簡單。研究表明，
特殊高分子材料做成的過濾膜
存在
表面吸附效應
，過濾膜表面的液體濃度低於液體內的濃度；這種特殊過濾膜還有
化學吸附表現
，過濾膜自身在接觸溶液時，會優先吸附水分子。於是，在高分子過濾膜的毛細孔隙間形成有一定厚度的純水膜。當在濃的液體一方適當加壓時，總是在膜的表面形成低溶度的表面層，在壓力作用下，孔隙間的水的
化學鍵
不斷被破壞，在壓力作用下
水離子擴散
，擴散的水離子又不斷組合成水分子。於是，人們就見到水被過濾出來。
在這種作用機制下，反滲透膜能夠擋住鈉離子、
氯離子
、鉀離子等單價鍵的離子，更大直徑的高價鍵的離子被擋住，雜質、
有機物
、細菌、病毒被擋住。現在的海水淡化以及太空人廢水回收處理均採用此方法，因此
反滲透膜膜又稱體外的高科技“人工腎臟”
。
二．反滲透膜的不同技術要求
針對不同的應用目的，可設計出各種效能的反滲透膜。
例如，有的要求過濾出來的水符合食用要求，有的則要求符合注射的標準。有的要求把水軟化即可，有的要求過濾特殊物質，等等。
例如，有的不要求出水量大而要求在低壓下工作，有的要求出水量大而要求在高壓下工作。
例如，普通水處理的反滲透膜的工作溫度一般為0-45攝氏度，但有些情形需要在90多攝氏度的高溫狀態下工作，當然需要設計出耐高溫、耐化學藥品、食品級的反滲透膜。
使用反滲透膜的最大問題是膜的孔隙被堵塞被汙染，通常採用的辦法是，使用一段時間後就要對膜進行反衝洗，或者化學清洗。於是，有人就設計出降低堵塞可能性、降低被汙染可能性的產品，這種膜的使用壽命長、易清洗、低汙染，大幅提高了反滲透膜穩定工作的時間，大幅度提高了工作效率。
現在，這些滿足不同要求的反滲透膜在國內外市場上都可以買到。
三.反滲透技術的應用舉例
1.海水淡化
海水淡化為出海工作的人帶來極大的福音。現在，有專門用於海水淡化的膜，製作淡水的能力很強。對高價離子的脫鹽率可以超過99%；對
單價離子
如，鈉離子、鉀離子、氯離子的脫鹽率也超過了98%。海水淡化機已經普遍使用了，已經不稀奇了。
2.製作一般的食用水
現在，家庭、單位都普遍使用飲水機和“純淨水”，這些純淨水都是將普通的
自來水
利用反滲透技術製作的，這種水不僅過濾掉了一般的微小懸浮物，大分子有機物，就連單價離子的，鈉離子、鉀離子、氯離子也過濾乾淨了，非常衛生，可以放心食用。有人說，什麼都濾掉了的水對人體健康不利，其實這種說法是不正確的，因為人們飲水就是為了補充水，補充對人體無害的水，並不是為了營養而喝水，營養物質可以從飯菜中獲取。至於說水中的營養物質那是很少的，一根菜葉所含有的營養物質比起水中濾掉的營養物質要多得多。現在，一般家用自來水淨化器也採用了反滲透技術。
3.中藥有效成分提取物的製作
這是非常有前途的事情。大家知道，西藥可以定量控制，中藥則不行；而且中藥熬製麻煩，藥渣還多，中藥使用不方便。現在，我國已經有不少公司，專門生產中藥材提取物。大致流程是這樣的，
先把中藥材帶壓熬製，再將藥湯用反滲透技術濃縮，達到相當的濃度後再烘乾製成粉劑，就得到中藥材提取物
。人們是否可以設想，將通常的中藥配方的計量，折換成相應的中藥材提取物的計量後，再配成全部用
提取物
構成的方劑，那麼自己就不要熬製中藥了。這些提取物都是
水溶性
的，喝中藥就簡單了。
這種方法應該對發展中醫藥是有很大幫助的
。
植物色素的提取，也是很簡單的。把要做色素的植物先帶壓熬製，再將湯汁用反滲透技術濃縮，達到相當的濃度後再烘乾製成粉劑。使用時，只有取少量粉劑溶解於水中即可使用。
4。
其它應用
鍋爐用水軟化處理，可以防止鍋爐結垢，提高熱效率。
電子工業用水的處理，積體電路，矽精片，顯示器，電極箔等電子元件，沖洗前後的液體有很多汙染物，要環保處理。
化工行業用水，化工產品製造的給水和排水都要處理，化工迴圈水要達標。
其它工藝用水，像汽車、家電的塗裝，鍍膜，像化妝品生產，像印染，這些工藝過程的用水要處理，其廢水也要處理。
製藥工業用水，輸液，針劑，片劑，生化製品，裝置清洗等用水和排水都要達標處理。
食品工業，飲用水，飲料水，啤酒，白酒，保健品用水排水等都要達標處理。
哪裡少得了呢用水呢？要用水就要達標，就要處理，就可以使用反滲透技術。
反滲透技術的應用範圍極其廣泛，不勝列舉。用此技術來處理水，既簡便又達標，既省錢又環保
。
四．我國反滲透技術的應用現狀和研究現狀
近年來，反滲透技術在國內得到廣泛的應用，發展最快，普及最廣。據估計，自1995年以來，反滲透膜的使用量每年平均遞增20%；2000年和2001年的市場更為強勁。據估算，反滲透技術應用於水處理行業，每年所節省的費用是驚人的。
然而，目前我國使用的反滲透膜，有95%為進口膜，國產膜只有5%左右。就是說，我國研究和製作反滲透膜的技術和能力還較落後。現在，國家計委已經把反滲透膜的研發作為高新技術產業化的重點發展專項計劃。在反滲透技術方面，中國正在奮力追趕。
反滲透膜的製作是建立在高科技基礎上的，
材料和構造是反滲透膜技術的關鍵
。科學家們是經過了大量的研究試驗，才篩選出了符合技術要求的材料，才完成了膜的既複雜又精細的構造，才有了現在市場上能買到的，能夠滿足不同需求的反滲透膜。所以，我國要獲得具有自主產權的反滲透膜，要能夠自主生產各種反滲透膜，不是一件很容易的事情，還需要認真地做好大量的基礎研究工作。不過也應該看到，現在的中國經濟基礎雄厚了，研究人才雄厚了，技術儲備雄厚了，取得反滲透膜方面自主產權和技術突破也就不會太難了。
