膜分离

物质世界是由原子、分子和细胞等微观单元构成的，然而这些微小的物质单元总是杂居共生，热力学第二定律揭示了微观粒子都会倾向于无序的混合状态。人们发明了过滤、蒸馏、萃取、电泳、层析和膜分离等分离技术来获取纯净的物质。

膜分离技术的基础是分离膜。分离膜是具有选择性透过性能的薄膜，某些分子（或微粒）可以透过薄膜，而其它的则被阻隔。这种分离总是要依赖于不同的分子（或微粒）之间的某种区别，最简单的区别是尺寸，三维空间之中，什么都有大小巨细，而膜有孔径。当然分子（或微粒）还有其它的特性差别可以利用，比如荷电性（正、负、电），亲合性（亲油、亲水），深解性，等等。

按照阻留微粒的尺寸大小，液体分离膜技术有反渗透（亚纳米级）、纳滤（纳米级）、超滤（10纳米级）和微滤（微米和亚微米级），另外还有气体分离、渗透蒸发、电渗析、液膜技术、膜萃取、膜催化、膜蒸馏等膜分离过程。

表-1 主要的膜分离过程

2、反渗透/纳滤基本原理

半透膜

半透膜是具有选择性透过性能的薄膜。当液体或气体通过半透膜时，一些组分透过，而另外一些组分被截留。实际上半透膜对于任何组分都有透过性，只是透过的速率相差很大。在反渗透过程中，溶剂（水）的透过速率远远大于溶解在水中的溶质（盐分）。通过半透膜实现了溶剂和溶质的分离，得到纯水以及浓缩的盐溶液。

渗透

渗透是当流体在跨越半透膜屏障时的一种自然过程。如果将一箱纯水用一张半透膜垂直分为两部分，纯水与理想半透膜的两面以相同的温度和压力接触，在这样的条件下没有跨越半透膜的水的流动产生，因为在膜两侧的化学势完全相等。如果在其中一侧加入溶解性盐，盐溶液一边的化学势降低了。纯水便会向盐溶液一侧渗透，从而产生一个渗透流，直到化学势的平衡重新建立为止。

渗透压

按照科学术语，在半透膜的两边存在一个“化学势”（离子或溶质分子的浓度差）的差值，通过溶液的渗透过程对化学势差进行补偿。当平衡重新建立时，在半透膜的两侧形成了一个水位差即静压差，这个压力差便是渗透压。渗透压是溶液本身的性质，取决于溶液浓度，与半透膜没有关系。

渗透压与溶质浓度之间的关系为：

Posm = 1.19 (T + 273) * Σ(mi) (1)

其中Posm＝渗透压（psi），T为温度（℃）, Σ(mi)是溶液中所有溶质的总摩尔浓度。TDS为1000ppm的水溶液的近似渗透压约为11（psi 0.76 bar)。

反渗透

在图－6a的箱子中，水通过渗透作用流向盐溶液一侧，直到达到新的平衡建立。在盐溶液一边施加一个额外的压力与渗透压相等，原有的平衡会受到影响（图－6b）。外加压力将会使盐溶液一边的化学势增加，使溶剂流向纯水一边。这种现象便是反渗透。反渗透过程的驱动力是外加压力，反渗透分离所需能量与溶液的难度直接相关。因此，从盐溶液中生产同样体积的水，盐的浓度越高，所需能耗也越高。