是60年代發(fā)展起來的一項膜分離技術(shù)，是依靠反滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質(zhì)進行分離的過程。反滲透的英文全名是"REVERSE OSMOSIS"，縮寫為"RO"。       
據(jù)稱在全球69億人口中，有9億人無法正常獲得包括生活用水在內(nèi)的飲用水，26億人沒有污水處理等衛(wèi)生設(shè)備。這種情況在水資源豐富的日本是無法想像的，缺水和水質(zhì)污染等水問題已經(jīng)成為與糧食和能源并列的、亟待人類解決的課題之一。


在水問題像如今這般備受關(guān)注之前，日本東麗公司就一直專注于水處理用分離膜*1的研究。該分離膜根據(jù)分離對象物質(zhì)的大小備有4種，東麗在全球{dywe}地以自主技術(shù)開發(fā)出這4種分離膜。


*1：水處理用分離膜　按照對象物從小到大的順序，分別為RO膜、NF(納米過濾)膜、UF(超濾)膜以及MF(精密過濾)膜。對象物的大小分別為0.5n～0.7nm以上、1nm以上，10nm以上以及100nm以上。


東麗堅持開發(fā)該分離膜的目的很明確，就是希望向地球的人們提供便宜的安全放心水。為了穩(wěn)定確保水的“質(zhì)”與“量”，該公司一直堅持不懈地開展研究工作。


從光滑側(cè)流向粗糙側(cè)


在4種水處理用分離膜中，分離對象(支持膜的微孔徑)最小的是RO(反滲透)膜。其大小實際上僅為0.5n～0.7nm。可以分離Na(鈉)離子和Cl(氯)離子等一價離子，以及硼和三鹵甲烷等限制物質(zhì)*2。


*2：海水中也有硼。硼有可能會引起柑橘類疾病，或者使動物的生殖功能下降。


正如其名稱一樣，RO膜利用了反滲透這一物理現(xiàn)象。溶質(zhì)濃度不同的兩種溶液經(jīng)由半透膜接觸后，希薄溶液側(cè)的水會向粘稠溶液側(cè)移動，以使兩種溶液的溶質(zhì)濃度達到統(tǒng)一。這種現(xiàn)象叫做“滲透”，水移動達到明顯停止的平衡狀態(tài)時，半透膜承受的兩種溶液的水壓差叫做滲透壓。因此，如果向粘稠溶液側(cè)施加超過滲透壓的較大壓力，那么水就會朝著與滲透時相反的方向移動。這就是“反滲透”。實際上，對于鹽分濃度約為3.5%的100單位海水(粘稠溶液)，通過施加5.5MPa的壓力可以獲得40單位的淡水(希薄溶液)、60單位的濃縮海水。這就是海水淡化原理。


RO膜由三層構(gòu)成。底層是厚度為150μm的聚酯無紡布基材。其上面層疊了作為支撐層的45μm厚聚砜(UF膜)，以及用作分離功能層的0.2μm厚交聯(lián)芳香聚酰胺(RO膜)。RO膜的手感像紙一樣，海水和污水的處理溶液，會從光滑的RO膜側(cè)流向粗糙的基材側(cè)。


將其實際用于海水淡化工廠時，會作為RO膜元件進行安裝。觀察元件的截面發(fā)現(xiàn)，中心管覆蓋了多層RO膜。RO膜元件使用了多張袋狀RO膜片，并改進了其折疊方式，為使過濾后的水匯聚到中心管內(nèi)，將RO膜片纏繞了多層。


RO膜元件的外觀。標準品為直徑8in×長1m。日產(chǎn)水10萬噸的工廠，大約需要使用一萬根標準品。另外，除了直徑為8in的標準品以外，還有直徑為4in和16in的產(chǎn)品。使用16in元件的優(yōu)點是，與8in相比可以獲得4倍的水，可以減少配管。


RO膜元件的構(gòu)造。多層RO膜覆蓋著中心管。


以納米級進行膜設(shè)計


RO膜的性能變化。橫軸是1平米RO膜每天的產(chǎn)水量，縱軸是硼去除率。產(chǎn)水量和硼去除率都很高只是一種理想狀態(tài)，如果要想增加產(chǎn)水量，膜孔大一些比較好;而要想提高硼去除率，則膜孔小一些比較好。也就是說，兩者存在二律背反關(guān)系，會形成向下傾斜的直線。但是，這條直線正在逐年往右上方移動。產(chǎn)水量和硼去除率一直在穩(wěn)步提高。


要想提高性能，RO膜孔的大小、分布以及數(shù)量控制尤其重要。東麗地球環(huán)境研究所所長邊見昌弘表示，“RO膜表面采用聚酰胺薄膜的褶皺構(gòu)造。為了以高水平維持或提高非常難以去除的硼的去除率同時讓水順利通過，我們對褶皺的大小和表面積進行了設(shè)計”。


解析技術(shù)對此類膜設(shè)計提供了幫助。東麗在2005年開發(fā)出了將基于日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所電子加速器設(shè)施的“正電子湮沒壽命測量法*3”應(yīng)用于薄膜的技術(shù)，并在全球首次確立了以非破壞性方式測量RO膜孔直徑的解析方法。由此，實現(xiàn)完善的RO膜設(shè)計成為可能。


*3：正電子湮沒壽命測量法　利用正電子容易被缺陷捕獲的性質(zhì)，測定正電子與電子碰撞并湮沒之前的時間，然后提取缺陷信息。東麗將其應(yīng)用在了RO膜孔分析上。


邊見昌弘表示，今后，計劃“使性能比目前增加5成”。這一目標的具體內(nèi)容是在維持硼去除率的同時，將產(chǎn)水量提高至1.5倍。據(jù)東麗介紹，提高產(chǎn)水量有助于節(jié)能，因此市場需求非常大。


以上主要是以海水和鹽水*4為處理對象的RO膜，不僅如此，RO膜還可以用于處理污水。此時，抑制被稱為水生物污垢的膜污垢將成為一個重要因素。要想降低水生物污垢，即不易產(chǎn)生污垢，就需要使膜表面平滑且具有親水性。這樣一來，污垢就不易附著了，即使附著上也可用水輕松地洗掉。


*4：鹽水　指海水和淡水混合后的水。包含0.1～1.0%的鹽分。


還將推進研究新型膜


海水淡化的主要方法，除了利用RO膜的反滲透法以外還有蒸餾法。將海水加熱產(chǎn)生蒸汽，然后將其凝縮獲得淡水。由于蒸餾法采用熱能，因此在能源價格較低的中東等地該方法是主流。


但是環(huán)顧全球，反滲透法的應(yīng)用范圍正在迅速擴大，2000年代超過了蒸餾法。從生產(chǎn)1噸水時的二氧化碳排量來看，蒸餾法為10kg/m3，而反滲透法僅為其1/5的2kg/m3。另外，就產(chǎn)水成本而言，“在中東也是反滲透法更低”，因此估計反滲透法的應(yīng)用范圍今后將越來越大。




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