反滲透是60年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的膜分離技術(shù)，是依靠反滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質(zhì)進(jìn)行分離的過(guò)程。反滲透的英文全名是"REVERSE OSMOSIS"，縮寫(xiě)為"RO"。
       據(jù)稱(chēng)在全球69億人口中，有9億人無(wú)法正常獲得包括生活用水在內(nèi)的飲用水，26億人沒(méi)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(wú)法想像的，缺水和水質(zhì)污染等水問(wèn)題已經(jīng)成為與糧食和能源并列的、亟待人類(lèi)解決的課題之一。
  在水問(wèn)題像如今這般備受關(guān)注之前，日本東麗公司就一直專(zhuān)注于水處理用分離膜*1的研究。該分離膜根據(jù)分離對(duì)象物質(zhì)的大小備有4種，東麗在全球獨(dú)一無(wú)二地以自主技術(shù)開(kāi)發(fā)出這4種分離膜。
  *1：水處理用分離膜 按照對(duì)象物從小到大的順序，分別為RO膜、NF(納米過(guò)濾)膜、UF(超濾)膜以及MF(精密過(guò)濾)膜。對(duì)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(jiān)持開(kāi)發(fā)該分離膜的目的很明確，就是希望向全世界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(jiān)持不懈地開(kāi)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(duì)象(支持膜的微孔徑)最小的是RO(反滲透)膜。其大小實(shí)際上僅為0.5n～0.7nm?？梢苑蛛xNa(鈉)離子和Cl(氯)離子等一價(jià)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(huì)引起柑橘類(lèi)疾病，或者使動(dòng)物的生殖功能下降。
  正如其名稱(chēng)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(huì)向粘稠溶液側(cè)移動(dòng)，以使兩種溶液的溶質(zhì)濃度達(dá)到統(tǒng)一。這種現(xiàn)象叫做“滲透”，水移動(dòng)達(dá)到明顯停止的平衡狀態(tài)時(shí)，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(guò)滲透壓的較大壓力，那么水就會(huì)朝著與滲透時(shí)相反的方向移動(dòng)。這就是“反滲透”。實(shí)際上，對(duì)于鹽分濃度約為3.5%的100單位海水(粘稠溶液)，通過(guò)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(wú)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(huì)從光滑的RO膜側(cè)流向粗糙的基材側(cè)。
  將其實(shí)際用于海水淡化工廠時(shí)，會(huì)作為RO膜元件進(jìn)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(jìn)了其折疊方式，為使過(guò)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(biāo)準(zhǔn)品為直徑8in×長(zhǎng)1m。日產(chǎn)水10萬(wàn)噸的工廠，大約需要使用一萬(wàn)根標(biāo)準(zhǔn)品。另外，除了直徑為8in的標(biāo)準(zhǔn)品以外，還有直徑為4in和16in的產(chǎn)品。使用16in元件的優(yōu)點(diǎn)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(jí)進(jìn)行膜設(shè)計(jì)
  RO膜的性能變化。橫軸是1平米R(shí)O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(shuō)，兩者存在二律背反關(guān)系，會(huì)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(dòng)。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(zhǎng)邊見(jiàn)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(shí)讓水順利通過(guò)，我們對(duì)褶皺的大小和表面積進(jìn)行了設(shè)計(jì)”。
  解析技術(shù)對(duì)此類(lèi)膜設(shè)計(jì)提供了幫助。東麗在2005年開(kāi)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(méi)壽命測(cè)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(cè)量RO膜孔直徑的解析方法。由此，實(shí)現(xiàn)完善的RO膜設(shè)計(jì)成為可能。
  *3：正電子湮沒(méi)壽命測(cè)量法 利用正電子容易被缺陷捕獲的性質(zhì)，測(cè)定正電子與電子碰撞并湮沒(méi)之前的時(shí)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(jiàn)昌弘表示，今后，計(jì)劃“使性能比目前增加5成”。這一目標(biāo)的具體內(nèi)容是在維持硼去除率的同時(shí)，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(chǎng)需求非常大。
  以上主要是以海水和鹽水*4為處理對(duì)象的RO膜，不僅如此，RO膜還可以用于處理污水。此時(shí)，抑制被稱(chēng)為水生物污垢的膜污垢將成為一個(gè)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(lái)，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(jìn)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(jià)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(kuò)大，2000年代超過(guò)了蒸餾法。從生產(chǎn)1噸水時(shí)的二氧化碳排量來(lái)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(jì)反滲透法的應(yīng)用范圍今后將越來(lái)越大。

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