5.1 反渗透膜工艺原理
5.1.1 半透膜与渗透压强
渗透现象是自然界中普遍存在的物理现象之一，而工业过程中的反渗透工艺具有特定的内涵。图5.1示出的反渗透半透膜实验中，在开放式容器内放置隔膜，膜两侧分别放入浓度（应严格称为质量分数）不等的溶液。当放置的隔膜为全透膜时，根据物质的扩散规律，高浓度溶液中的溶质及低浓度溶液中的溶剂将分别透过隔膜向对方溶液扩散。尽管两类扩散的速度并非一致，而当隔膜两侧溶液浓度最终相等时扩散过程结束，且隔膜两侧溶液的液位相等。
图5.1 渗透与反渗透现象示意图
当放置的隔膜为只透过溶剂而不透过溶质的理想半透膜时，因低浓度溶液中的溶剂浓度高于高浓度溶液中的溶剂浓度，低浓度溶液中的溶剂可透过隔膜向高浓度溶液扩散，而高浓度溶液中的溶质向低浓度溶液的扩散趋势被半透膜阻断。低浓度溶液中的溶剂透过半透膜向高浓度溶液扩散的传质现象称为渗透。
渗透过程中高浓度溶液被不断稀释，膜两侧的液位也相应增减，不断增长的隔膜两侧液位差形成了渗透过程的阻力，当液位差阻力与溶剂扩散力相等时达到渗透平衡。平衡状态下浓淡溶液两侧的液位差称为平衡态下两侧溶液的渗透压差。如低浓度溶液为纯水溶剂，平衡状态下溶液与纯水两侧的液位压差称为溶液（是稀释后溶液而非初始浓溶液）的渗透压强（或渗透压）。渗透压强也可理解为溶液受到来自半透膜另一侧纯水的外施扩散压强。
在两侧溶液上各施一个压强（浓溶液侧压力较高），如其差值等于渗透压差（即等于液位差）时，渗透现象终止；如其差值低于渗透压差（即低于液位差）时，渗透过程将继续；如其差值高于渗透压差（即高于液位差）时，高浓度溶液中的溶剂将向低浓度溶液侧反向渗透，这一现象称为反渗透或逆渗透。
根据热力学理论，低含盐量水体的渗透压与水体温度成正比，且与水体中各离子的摩尔浓度之和成正比：
π=RTΣCi （5.1）
式中 π——溶液的渗透压，kPa；
Ci——溶质中离子i的浓度，mol/L；
T——热力学温度，K；
R——气体常数，8.308kPa·L/（mol·K）。
理想半透膜对溶质具有100％的截留率，而现实世界中的半透膜均为非理想半透膜，即对溶质具有很高的截留率，但尚存一定的透过率。工业过程中使用的半透膜均为非理想半透膜。
5.1.2 反渗透膜过程原理
一般认为反渗透膜属于无孔膜，而也有观点认为膜孔径约为0.5nm。对于反渗透膜的传质过程存在多种理论，能够提供较为有力解释的是溶解扩散理论，而氢键理论、优先吸附-毛细孔流理论等也在一定程度上被接受。
根据溶解扩散理论，在图5.1所示反渗透膜过程中，透过半透膜的透水流量与透盐流量遵循下列规律：
Qp=AS·NDP=AS［（Pf-Pp）-（πf-πp）］ （5.2）
Qs=BS（Cf-Cp） （5.3）
式中 Qp——膜的透水流量，L/h；
Qs——膜的透盐流量，mg/h；
A——膜的水透过系数，L/（h·m2·MPa）；
B——膜的盐透过系数，L/（h·m2）；
Pf——膜给水侧的水体压力，MPa；
Pp——膜透水侧的水体压力，MPa；
πf——膜给水侧水体渗透压，MPa；
πp——膜透水侧水体渗透压，MPa；
Cf——膜给水侧的盐浓度，mg/L；
Cp——膜透水侧的盐浓度，mg/L；
NDP——纯驱动压强，MPa；
S——膜面积，m2。
式中，A与B为受膜材质、膜结构、给水条件及运行条件等因素影响的水与盐透过系数。式（5.3）表明膜的透盐流量正比于膜两侧盐浓度差值。式（5.2）表明膜的透水流量正比于膜两侧水力压差与渗透压差的差值，该差值称为纯驱动压NDP。
NDP=（Pf-Pp）-（πf-πp） （5.4）
式（5.2）与式（5.3）描述的不仅是反渗透现象的基本规律，也可用于反映膜元件中无限小局部微元上所发生的反渗透微观膜过程规律，还可用于粗略表征一个完整反渗透系统运行测试参数间的内在关系，是分析及掌握反渗透工艺技术的重要关系式。
对于图5.1所示的非理想反渗透膜两侧承受的各项压强可作如下分析：
①半透膜的稀溶液侧存在液位压强Pp与浓溶液渗透压强πf（或βπf）；
②半透膜的浓溶液侧存在外施压强Pf与稀溶剂渗透压强πp。
因为反渗透膜截留了包括难溶盐在内的无机盐，不可能以全流方式运行，而只能采取错流运行方式，而错流方式的伴生现象之一为浓差极化。计及图5.2表示的浓差极化度β时，反渗透膜的水流量与盐流量表达式应改为：
Qp=AS［（Pf-Pp）-（βπf-πp）］ （5.5）
Qs=BS（βCf-Cp） （5.6）
β=Cm/Ct≈exp（QL/D） （5.7）
图5.2 错流模式及浓差极化现象示意图
式中，L为膜表面层流层厚度即浓差极化层厚度；D为溶质的扩散系数。
式（5.5）及式（5.6）描述了反渗透膜系统流程中某截面微元内盐流量与水流量的基本解析关系，也反映了反渗透膜元件及膜系统运行的基础规律。
图5.2所示反渗透膜错流过程中，膜的透盐率Sp可表示为产水含盐量Cp与给水含盐量Cf的比值：
Sp=Cp/Cf （5.8）
膜的脱盐率Sr可表示为：
Sr=1-Sp=（Cf-Cp）/Cf （5.9）
而盐流量Qs与水流量Qp之比即为产水侧水体的含盐量Cp：
Cp=Qs/Qp （5.10）
5.1.3 膜片及膜元件结构
目前流行的反渗透膜是由聚酯无纺布衬托层、聚砜超滤支撑层及芳香聚酰胺反渗透分离层等三层结构的复合膜；其中无纺布厚度约120μm，超滤层厚度约40μm，而反渗透膜厚度约0.2μm，该复合膜结构见图5.3。
图5.3 反渗透复合膜结构示意图
反渗透的工业用膜元件有板式、中空、管式及卷式等结构形式。基于抗污染性、高容积率等目的，目前流行的膜元件主要是卷式结构。如图5.4所示，卷式膜元件由膜片叠制成的膜袋、浓水隔网、淡水隔网、淡水导流中心管、元件端板、玻璃钢封装层、黏合剂及浓水V形密封圈等部件构成。
图5.4 反渗透膜元件内外结构图
卷式膜元件的给水从元件端板处进入多层浓水隔网形成的给浓水流道。产出淡水在纯驱动压作用下透过膜袋进入由多层淡水隔网形成的淡水流道，并通过中心管汇集后由端板处的淡水口流出膜元件。元件浓水流过给浓水流道，从端板的另一侧流出。
工业用卷式膜元件的规格一般有8040与4040两规格，分别表示8in（1in=2.54cm）直径40in长度与4in直径40in长度。最常见的8040膜元件的有效面积可达365ft2（33.9m2）或400ft2（37.2m2）甚至440ft2（40.9m2）。
膜元件运行参数之一是淡水流量Qp与给水流量Qf之比，称为元件回收率或元件收率：
Re=Qp/Qf （5.11）