反滲透膜過濾技術是一種高效、 低能和易操作的液體分離技術， 同傳統(tǒng)的水處理方法相比具有處理效果 好，可實現(xiàn)海水淡化、廢水的循環(huán)利用和對有用物質回收等優(yōu)點. 本文基于中空纖維反滲透膜技術的發(fā)展， 研究其在國內外的應用現(xiàn)狀，介紹了反滲透膜在海水和苦咸水淡化、純水制備、廢水處理、食品加工等方面 的應用，并討論了反滲透膜的研究方向和發(fā)展前景.
反滲透膜是以膜兩側靜壓差為推動力而實現(xiàn)對 液體混合物分離的選擇性分離膜，其操作壓力一般為 1.5~10.5 MPa，反滲透膜只能通過溶劑（通常是水）而 截留離子或小分子物質. 20 世紀 60 年代，Loeb 和 Sourirajan 采用相轉化法制備出第一張不對稱醋酸纖 維素膜之后，反滲透膜技術才有了突破性的進展[1]. 反 滲透膜的第二次突破是以界面聚合法制備高通量薄 層復合膜的出現(xiàn) [2-4]. 中空纖維分離膜具有自支撐結 構，組件制備工藝簡單，放大效應小，在單位體積內可 提供更大的膜面積[5]，堆積密度比管式膜大，預處理和 維護比卷式膜更為簡單 [6]. 但國內外對中空纖維反滲 透膜的研究仍處在實驗研究階段，目前還沒有商品化 的中空纖維反滲透膜膜組件，市場上的反滲透膜大多是以界面聚合法制備的全芳香聚酰胺管式或卷式膜. 日東電工集團/美國海德能公司已聯(lián)合推出增強型的 污染卷式反滲透復合膜-PROC10 和低壓高脫鹽卷式 反滲透復合膜-CPA 已在純水制備、廢水處理等方面 得到廣泛應用. 本文對反滲透膜在海水和苦咸水淡 化、純水生產、廢水處理及食品加工等領域的應用進 行綜述.
1 海水和苦咸水淡化
水資源短缺已成為全球性的問題，它嚴重地制約 著經濟的發(fā)展、社會的進步和人民生活水平的提高. 據(jù)Shiklomanov 統(tǒng)計顯示[7]，2000 年全球每人每年的淡水供應為 7 000 m3，然而，由于人口的增加、地表及地 下水資源的污染，人們正在面臨水資源危機. 海水和 苦咸水淡化是解決水資源短缺的有效途徑之一，而 反滲透技術是實現(xiàn)海水和苦咸水淡化的有效手段. 1.1 海水淡化 從海水淡化的技術種類來說，目前主要還是蒸餾 法和反滲透法兩大主流技術，其中反滲透海水淡化技 術由于具有設備投資省、能量消耗低、建造周期短等 諸多優(yōu)點，近 10 年來發(fā)展相當迅速，目前最大的反滲 透海水淡化廠產水規(guī)模已經達到 3.3×105 m3/d. 2005 年以色列最大的反滲透海水淡化工廠建成，產水量 100 Mm3/y，預計 2020 年底可以生產飲料用水，產水量 305 Mm3/y[8]. 20 世紀 70 年代末，海水反滲透系統(tǒng)的單 位能量消耗為 20 kW·h·m-3；隨著反滲透膜、泵效率和 能量回收系統(tǒng)的改進， 80 年代中期，海水反滲透系統(tǒng) 的單位能耗為 8.0 kW·h·m-3； 21 世紀初，隨著能量回 收技術的出現(xiàn)，海水反滲透系統(tǒng)的單位能耗已經降至 2.0 kW·h·m-3 [9]. Matt Folley 等[10]自制的反滲透海水淡 化系統(tǒng)，水通量為 102 m3/h，產水平均含鹽量為 288 mg/L，平均能耗為 2.1 kW·h·m-3，其中反滲透單元的能 耗僅為 1.85 kW·h·m-3. 1.2 苦咸水淡化 苦咸水一般指含鹽量為 1 000~15 000 mg/L 的天 然水、地面水和自流井水[11]，由于含鹽量高，不能直接 應用于工農業(yè)生產及人們的生活飲用水，必須進行淡 化處理，才能加以利用. 孫魏等[12]采用超濾膜和反滲透 膜處理含鹽量在 4 010 ~ 4 500 mg/L 的苦咸水，對進水 CODMn、總硬度、 Cl-、總溶解固體的去除率分別高于 95%、 98%、94.73%、97%，其它出水指標如硝酸鹽、硫 酸根、細菌和大腸桿菌數(shù)量遠遠優(yōu)于國家飲用水標準.
突尼斯位于半干旱地區(qū)，水資源非常有限，特別 是南部地區(qū)，需要對苦咸水進行淡化處理來補充飲用 水的不足. 1999 年，國有 SONEDE 公司建立苦咸水淡 化工程來生產飲用水以滿足突尼斯地區(qū)人民的生活 需要[13]，所用到的反滲透膜是海德能公司的聚酰胺反 滲透膜. 原水的含鹽量為 6 000 mg/L，產水電導率低于 400 μS/cm，產水量為 15 000 m3/d，轉化率為 75%.
2 純水生產
純水在人們的日常生活和工業(yè)生產中的重要作 用日益突出，飲用純水的品質已成為影響人們的生活 水平及健康狀況的重要因素；另外，對燒堿及制藥工 業(yè)來說，水質的好壞也直接影響到產品質量. 2.1 飲用水生產 20 世紀 80 年代歐美國家已將反滲透膜廣泛應用 于生活用水的凈化處理， 20 世紀 90 年代后期我國也 開始大規(guī)模使用反滲透膜技術. 巴西南部的某超純水 生產廠，利用膜總面積為 28 000 m2 反滲透系統(tǒng)生產 超純水，產水電導率為 0.3 μS/cm，反滲透膜的水通量 為 650 m3/h[14]. 咸陽國際機場供水是含鉻及氟苦咸水， 水質較差，不宜飲用，尚天寵采用反滲透裝置對其進 行凈化、淡化處理后成為符合國家生活飲用衛(wèi)生標準 和世界衛(wèi)生組織飲水水質準則的優(yōu)質水[15]. 2.2 工業(yè)用水生產 在工業(yè)用水方面，反滲透膜分離技術主要用來脫 鹽、脫色和除雜. 張菊青等[16]采用反滲透膜技術制取的 高純水質量完全達到了燒堿工藝用水要求，反滲透膜 采用美國海德能公司生產的 CPA3-LD 系列超低壓卷 式復合膜組件（RO 組件），單支膜組件標準產水量為 41.6 m3/d，標準截留率為 99.7%. 氯堿工業(yè)水中的 Ca2+、 Mg2+等離子嚴重影響產品的質量，因此為得到高純度 的氯化鈉必須將其除去. Madaeni 等人用不同的商品 反滲透膜（FT30，PVD，DOW-PS）對氯堿工業(yè)用水進行 處理[17]，研究結果表明，PVD 膜具有較高的鈣鎂離子脫 除率，同時對氯化鈉的截留率較低. 2.3 制藥用水生產 反滲透作為一種新型的膜分離技術，已廣泛應用 于制藥行業(yè). 浙江大東吳集團紅延藥業(yè)有限公司根據(jù) 其工藝用水特點[18]，選用美國海德能公司的超低壓聚 酰胺復合膜，采用二級反滲透法制取醫(yī)藥純水. 紅延 藥業(yè)有限公司所處的浙江省湖州市自來水水質濁度 低，電導率在 300 μS/cm 左右，硬度（以 CaCO3 計）約 140 mg/L，經反滲透處理后，出水電導率在 0.52~1.92 μS/cm，水通量可達 2.3 m3/h，二級反滲透回收率達到 80%，滿足了制藥工藝要求. M Belkacema 等[19]采用 BW30LE-440 管式聚酰胺反滲透膜處理阿爾及爾的地 下水作為制藥用水，每支反滲透膜的有限面積為 35 m2. 原水經過沉淀、消毒、砂濾等預處理，濁度由 0.46 NTU 降至 0 NTU，產水電導率為 1 700 μS/cm. 預處理 水經過反滲透膜處理后，電導率由 1 700 μS/cm 降至 15 μS/cm，再經去離子處理后，電導率降至 0.59 μS/
3 廢水處理
反滲透膜在廢水處理方面主要應用于電廠循環(huán) 排放污水處理、印染廢水處理、重金屬廢水處理及礦 場酸性廢水處理、垃圾滲濾液處理及城市污水處理.
3.1 電廠循環(huán)排放污水處理 電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)消耗水量大，占到純火力發(fā) 電廠用水的 80%，占熱電廠用水的 50%以上，如果使 其直接排放，不僅會污染環(huán)境，也會造成能源的浪費. 對循環(huán)排放水進行回收處理，產品水作為循環(huán)補充水 或鍋爐補給水系統(tǒng)的水源，既不會對環(huán)境造成污染， 也可以節(jié)約能源.北京京豐天然氣燃機聯(lián)合循環(huán)電廠[20]， 選用荷蘭諾芮特公司生產的 SXL-225FSFC0.8 mm 中 空纖維超濾膜元件和陶氏公司生產的 BW30-400-FR 聚酰胺復合反滲透膜對電廠循環(huán)排污水進行處理. 超 濾反滲透系統(tǒng)從 2004 年 10 月投運以來的各種分析 數(shù)據(jù)顯示，超濾出水水質完全滿足反滲透進水要求， 產水濁度小于 0.02 NTU，產水密度污染指數(shù)（SDI）小 于 0.7；反滲透系統(tǒng)一直運行良好，截留率 97%，產水 量 68 m3/h，產水電導小于 40 μS/cm，回收率大于 60%.
3.2 印染廢水處理 印染廢水具有高 COD、高色度、高鹽度等特點，傳 統(tǒng)的處理技術已經較難達到排放要求[21]. 印染行業(yè)用 水量大，隨著水資源日益短缺和水費不斷上漲，廢水 回用技術正在逐步推廣，反滲透膜不僅可有效去除有 機物、降低 COD，且具有很好的脫鹽效果，使得脫除 COD、脫色、脫鹽能在一步完成[22]，其出水品質高，能 直接回用于印染環(huán)節(jié)，同時濃水可回流至常規(guī)工序處 理，實現(xiàn)廢水零排放和清潔生產. 曾杭成等[23]采用超濾 和反滲透雙膜技術處理實際印染廢水，研究結果表 明，反滲透產水可達到城市工業(yè)用水回用標準，也可 回用于大部分印染工序. 反滲透膜的產水化學耗氧量 （COD）均小于 10 mg/L，電導率小于 80 μS/cm，其對有 機物和無機鹽的去除率分別可達 99%和 93%以上.
3.3 重金屬廢水處理 用反滲透技術處理含重金屬的廢水不需投加藥 劑，能耗低，設備緊湊，易實現(xiàn)自動化，且不改變溶液 的物理化學性質. Mohsen-Niaa 等[24]采用 CSM 公司生 產的 RE2012-100 反滲透膜（截留率 96%），可以有效 脫除廢水中的 Cu2+ 和 Ni2+離子，通過加入螯合劑 Na2EDTA，對 Cu2+和 Ni2+離子截留率可以達到 99.5%. 鉻是皮革工業(yè)最常用和有效的化學試劑，但是鉻是具有高毒性的重金屬，因此必須除去. 傳統(tǒng)的沉淀法可 以將制革廢水的三價鉻含量由 2 700~5 500 mg/L 降至 30 mg/L 左右，但是不能滿足環(huán)境排放標準（液體工 業(yè)：總鉻 0.5~2.5 mg/L，六價鉻 0.1 mg/L；飲用水：總鉻 10 μg/L）. Covarrubias 等[25]利用 FAU 陶瓷反滲透膜處 理制革廢水，對制革廢水中三價鉻的去除率大于 95%. Bodalo [26] 用 6 種反滲透膜對皮革工業(yè)的廢水進行處 理，結果表明，反滲透膜可以有效地脫除皮革工業(yè)廢 水中的鉻和有機物.
3.4 礦場酸性廢水處理 由于強烈的化學和生物氧化作用，當降水或地下 涌水流經采礦場及廢石場后，產生大量含 Cu2+、 Fe2+、 Fe3+及其它金屬離子的酸性廢水. 目前常用的礦山酸 性廢水治理方法有中和法、萃取法、人工濕地、微生物 法以及膜處理方法等[27]. 通過反滲透法處理礦山酸性 廢水，不僅可以實現(xiàn)廢水達標排放，還能有效富集廢 水中的金屬資源. 陳明等[28]用反滲透工藝處理金銅礦 山酸性廢水，結果表明，通過兩段反滲透處理，水回收 率可達36.79%，透過液可達到排放標準，濃縮液用硫 化沉淀浮選法處理，得到含銅量為 26.3%的銅渣，銅回 收率可達 74%.
3.5 垃圾滲濾液處理 城市垃圾填埋廠的垃圾滲濾液主要來源于降水 和垃圾本身的內含水，是一種成分復雜的高濃度有機 廢水，對其進行處理十分必要. 傳統(tǒng)處理方法主要是 生物法. 但其生化效果差，處理效率低. 利用膜技術可 以有效去除垃圾滲濾液中的各種有害物質，達到國家 排放標準. Bohdziewicz 等[29]對波蘭南部城市琴斯托霍 瓦 Sobuczyna 垃圾場的垃圾滲濾液進行了分析，各項 指標見表 2. 將此垃圾滲濾液合成溶液后，用向上厭氧 污泥生物反應器（UASB）進行處理，溶液 COD、BOD、 氨氮、氯的質量濃度分別降為 960、245、196 和 2 350 mg/L，不能滿足環(huán)境排放要求. 對 UASB 的流出液用 SEPA CF- HP 和 RO-DS3SE 聚酰胺反滲透處理，滲透 液的 COD、氨氮、氫及氯的濃度均遠遠低于排放標準， 反滲透膜對溶液的截留性能見表 3.
3.6 城市污水處理 楊樹雄等[30]采用超濾（UF）-反滲透（RO）-連續(xù)電 去離子膜塊（EDI）聯(lián)合工藝對城市污水處理廠二級出 水進行深度處理，其出水水質可滿足大連泰山熱電廠 440 t/h 超高循環(huán)流化床鍋爐對其化學補給水的水質 要求，并能保證大連泰山熱電廠超高壓鍋爐用水的安 全性和可靠性. 本系統(tǒng)一級、二級反滲透膜組件分別 采用美國陶氏公司生產的 BW30-365FR 抗污染復合 反滲透膜和 BW30-400FR 復合反滲透膜，單根膜脫鹽 率均達 99.6%.
4 食品工業(yè)
反滲透膜在食品工業(yè)中主要應用于牛奶加工、果 汁加工及酒的加工等.
4.1 牛奶加工 在干酪生產中，每 100 kg 牛奶可產出 10~20 kg 的 干酪和 80~90 kg 的乳清. 乳清是干酪生產中的副產 品，含有大量的蛋白質、脂肪、乳糖、乳酸和礦物質. 由 于乳清乳糖與蛋白質比例小、BOD 高（30 000~50 000 mg/L），所以不容易處理和利用. 反滲透可以用于乳清 生產過程，包括乳清濃縮、去除部分礦物質、乳清分離 和脫鹽. 用反滲透處理乳清可以使乳糖結晶，從而提 高了奶粉的生產效率. 乳清是第一種應用膜技術進行 濃縮的液體食物[31]. 經過反滲透處理，乳清由廢品變成 了可以生產營養(yǎng)品的有用源料.
4.2 果汁加工 反滲透技術在果汁生產中有許多優(yōu)點[32]：操作過 程在常溫下進行，營養(yǎng)成分的損失較�。粺o相變化，能 保持飲料的芳香口味；能耗低，僅為蒸發(fā)濃縮和冷凍 濃縮方法的 1/2~1/3；色素分解和褐變反應較少，飲料 顏色純正、悅目；不需化學試劑和添加劑，產品不受外 界污染；分離裝置簡便、操作容易、易控制.國外已將超 濾反滲透技術用于菠蘿汁、柑桔汁、葡萄汁、蕃茄汁、 梨汁等果汁的澄清與濃縮 ，產品質量及經濟效益較 好[33]. Rektor 等[34]采用丹麥 DDS 公司生產的HR-30 和 ACM-2 型 RO 膜濃縮葡萄汁均取得較好效果，在操作溫度 35 ℃、操作壓力5 MPa，循環(huán)流量 300 L/h 時，對花 青素的截留率可達 99.5%. 橙汁含有大量的維生素 C 和天然抗氧化劑，Galaverna 等[35]采用超濾-反滲透-滲 透蒸餾工藝對 Parmalat S P A 的紅橙汁濃縮，既可以得 到高濃度的橙汁，而且不損害橙汁的有效成分，橙汁 可以由 12~12.6°Brix 濃縮至61°Brix，比傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)獲 得的橙汁濃度56.3°Brix高.
4.3 酒類加工 反滲透可應用于釀酒過程，制備低酒精度產品. 與限制發(fā)酵、蒸餾脫醇等方法相比，反滲透法能克服 限制發(fā)酵產品中殘?zhí)歉摺⒄麴s法有蒸煮味等風味缺 陷，得到高品質的無醇啤酒，且投資和運行等費用也 不高. 馮凌蕾等[36]運用反滲透法對普通啤酒進行脫醇 后，酒精度達到 0.5%（體積分數(shù)）以下，除含酒精量較 低外，仍具有普通啤酒的色、香、味，滿足無醇啤酒的 標準.
5 結束語
應用反滲透膜處理海水和苦咸水、工業(yè)及市政廢 水，不僅可以節(jié)約能源，還可以減少環(huán)境污染. 雖然反 滲透膜的截留率高、操作壓力低，有很好的機械穩(wěn)定 性、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性及水解穩(wěn)定性，但是還存在 一些問題，如截留率不高、耐氯性及抗污染性差等. 近 年來，由于水資源的日益緊缺、環(huán)境標準的不斷提高 以及物質分離純化高效低成本的要求，反滲透膜的應 用領域不斷擴展，在這一背景下，中空纖維反滲透膜 的研究和推廣應用也變得更為重要. 筆者認為，今后 應當加強以下幾方面的研究：在獲得高截留率的同時 提高反滲透膜的水通量；提高反滲透膜的耐氯性及抗 污染能力；加強反滲透膜清洗及保養(yǎng)方式的研究，增 加反滲透膜的使用壽命.
