水，由于其独特的结构，能够以分子簇的形式与 几乎任何物质相互作用或是将其溶解，孕育了地球 上几乎所有的生命形式。地球上水的起源至今仍然 是个谜团，但是有一点已经非常清楚，那就是地球上水资源的有限性，干净而适于生活和生产用的水已 经远远无法满足人类的需求。在许多地区，人口增 长迅速，对水资源的需求量已经远远超出了传统水 资源所能负担的程度。据世界银行估计，到 2025 年

将会有超过 48 个国家和地区面临严重水资源短缺 的问题，涉及到的人口将达到 14 亿，并且主要是在 一些欠发达地区。到 2035 年，预计会有 30 亿人生 活在严重缺水的地区［1］。21 世纪水资源正在变成 一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源 问题，更成为关系到各个国家经济、社会可持续发展 和长治久安的重大战略问题［2］。 今天，如何得到洁净的淡水已经成为世界关注 的热点，人类一直以来都在不断地寻找解决办法。 反渗透膜技术正是在这种背景下应运而生的，它为 人类解决淡水资源短缺问题开辟了一条光明大道。 反渗透是压力驱动的过程，所以它不涉及能量密集 的相变或是价格昂贵的溶剂和吸附剂等，相对于其 他传统的分离过程，反渗透具有设计和操作简单的 优势，再加上其所具有的净化效率高、建造周期短以 及环境友好等优点，已广泛应用于海水和苦咸水淡 化、纯水和超纯水的制备、饮用水净化、工业用水处 理、废水处理，以及医药、化工和食品等工业料液处 理和浓缩等。目前，利用反渗透膜分离等现代技术 大规模地开辟新的水源，已经成为全世界的必然趋 势。

1 反渗透膜技术的发展概况

反渗透是渗透的逆过程，它主要是在压力的推 动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶剂与 溶质分开的膜分离过程。早在 1748 年法国科学家 Nollte 和其他许多学者就开始研究渗透现象，然而 反渗透作为一项新型的分离技术却还相对年轻，最 早是在 1953 年由美国佛罗里达大学 C. E. Reid 教 授发现了醋酸纤维素(CA)具有良好的半透性，并首 次提出了用反渗透膜技术淡化海水的构想。与此同 时，美国加利福尼亚大学的 Loeb 和 Sourirajan 博士 也发现了醋酸纤维素优良的半透性，并于 1960 年首 次制成了具有历史意义的高脱盐、高通量的非对称 醋酸纤维素反渗透膜。此 后，美 国 Monsanto、Du Pont 以及 Filmtech 等公司发展了以聚酰胺为膜材料 的反渗透复合膜，与纤维素膜相比，具有较大的水通 量和盐截留率，大大促进了反渗透膜技术的应用。 到 20 世纪 80 年代末，高脱盐的交联芳香聚酰胺复 合膜已经实现工业化。20 世纪 90 年代中，超低压 高脱盐交联芳香聚酰胺复合膜也开始进入市场。在 这个过程中，反渗透膜及其组件的制备工艺不断进

步，性能也持续提高［3， 4］。

2 反渗透膜技术的研究现状

反渗透膜按其结构特点主要可分为两类，即非 对称反渗透膜和复合反渗透膜。目前应用最广的复 合膜大多是在多孔支撑膜表面采用界面聚合法制得 的致密超薄分离层，因为这种膜的分离层和支撑层 都易于控制，而且在高脱盐情况下，也能保持较高的 透水率

2. 1 反渗透膜功能层研究 对于复合膜来说，渗透通量和截留率主要取决 于其表面的一层超薄分离层，所以针对优化超薄分 离层性能的研究一直以来就是热点，然而由于其厚 度太小(通常小于 200 nm)，很难对其进行热力学和 动力学研究。目前，有学者另辟蹊径，利用石英微天 平等仪器定量研究了水在这一超薄层中的溶解、吸 附行为，以及水分子吸附时所带来的机械压力。他 们发现超薄功能层具有相当大的自由体积对于水在 其中的吸附和传输非常有利［5］。 纳米材料因为具有小体积效应、表面效应、量子 效应和宏观量子隧道效应，也被引入到了优化超薄 功能层的性能当中。有关这方面的研究主要是通过 在超薄功能层中分散一些纳米颗粒，使得功能层中 出现很多纳米尺寸的微观结构，其中的分子、原子、 电荷和功能基团的分布情况都与一般材料中的分布 有所不同，这会对膜性能产生重要影响，进而使所制 得的膜具有比传统复合膜更优的膜性能。Jeong 等［6］研制的沸石-聚酰胺新型超薄复合反渗透膜在 传统复合膜的基础上又具备了分子筛的独特功能 (可控的亲水性、电荷密度和孔结构，优良的抗菌性 能以及更高的化学、热力学和机械稳定性)，可以使 水分子优先通过超亲水的分子筛纳米孔，同时截留 率基本保持不变。 

2. 2 反渗透膜分离机理模拟 由于实验技术方面的困难，通常人们很难从原 子水平上搞清楚其微观结构，以及水分子和离子渗 透过膜的机理，这就使得聚合物单体化学结构的选 择或是聚合过程的优化变得有些盲目，所以有学者 将分子动力学模拟的方法应用到了反渗透膜的研究 中。Gao 等［7］的模拟结果表明了水分子和离子传导 的自由能壁垒主要取决于孔口处的电负性以及孔内 部的偶极。离子在较窄的孔道内会对水分子的传导起阻碍作用。而 Harder 等［8］则通过一种新型的基 于分子动力学的方法，模拟了间苯二胺和均苯三甲 酰氯两种典型单体之间的界面聚合反应，以及水分 子在所生成分离层中的渗透过程，最后得出的扩散 系数和渗透通量的理论值与实验结果具有相同的数 量级。 

2. 3 反渗透膜污染 膜污染一直以来就是人们关注的热点问题，它 影响着膜的稳定运行和出水水质，并将缩短膜的使 用寿命，因此被认为是制约膜技术广泛应用的关键 因素。目前，人们在研制和开发新型反渗透膜的同 时，也对膜污染问题进行了更加深入的研究，并不断 寻找解决办法。 有学者发现浓差极化与胶体污染物在反渗透膜 表面沉积这两种常见的现象之间存在一种偶合作 用，并且可以通过利用那些不易于沉积的胶体颗粒 作为“移动搅拌器”来减少污染，提高反渗透膜在脱 盐方面的性能［9］。 由微生物在膜面生长造成的反渗透膜污染现象 很普遍，它会使水分子渗透过膜所需要的压力急剧 上升，这一问题可以通过一些常用的生物杀伤剂，例 如活性氯、臭氧以及紫外线灭菌等方法得以解决，但 是频繁的化学洗涤又会降低膜的使用寿命，并给系 统中引入一些灭菌副产物，例如臭氧处理富溴盐废 水的过程中产生的溴酸盐就被世界卫生组织和美国 环境保护署列为一种致癌物。所以需要针对各自的 实际情况选择最优的预处理过程［10］。 无机盐也是一类很重要的污染物，对于这方面 机理的研究也很多，主要集中在考察错流流率和压 力等操作参数，以及膜孔隙率和粗糙度等对无机盐 在膜表面结晶的影响，然而也有少数学者认为污染 过程还会受到膜组件的几何构型以及膜材料等因素 的影响［11］。 膜剖析(membrane autopsy)是寻找膜污染成因 的一种常用方法，它通过分析污染后的膜元件，寻找 污染的原因及其机理，当污染过程很复杂而又对其 缺乏了解时，这项技术就显得非常有效［12， 13］。Mohamedou 等［13］通过膜剖析对一套老旧的反渗透膜组 件的污染过程进行了研究，评估了它的膜老化程度， 最终使得膜组件的再生变得可能。 Feng 等［14］则利用在线超声波振荡来抑制反渗 透膜过程中出现的污染现象，他们发现，伴随着超声 波振荡，膜的渗透通量明显上升，而截留率基本保持不变。可见超声去污在未来解决反渗透膜污染问题 方面有着一定的潜力。 除了对污染过程以及抑制方法的研究外，从提 高膜本体性能出发，开发新型的耐氧化、耐污染反渗 透膜也是非常必要的。Wei 等［15］通过在膜表面接 枝海因衍生物，其耐氯功能的可再生性以及与抑菌 功能之间的转化，赋予了改性复合反渗透膜持续高 的耐氯和抗微生物污染性能。而在膜材料方面， Park 等［16］则针对反渗透脱盐过程开发了用于制膜 的新型耐氯聚合物。 除了实验考察膜污染过程的研究之外，许多学 者还从理论的角度全面分析了反渗透膜过程中出现 的污染问题。Hoek 等［17］通过模拟一个大型反渗透 装置的运行过程，研究了传质动力学、膜污染以及反 渗透技术中的工程放大问题。他们所建立的模型为 更加深入地研究大型反渗透过程提供了有力工具。 另外，他们还指出利用一些新颖的监测方法，可以帮 助我们进一步了解反渗透过程中的影响因素，有利 于全面和综合的研究反渗透系统。Shon 等［18］对海 水淡化过程中几种不同的物理化学预处理方法脱除 海水中有机物的能力进行了评估。这些研究也为针 对不同水源选择最适宜的预处理方法提供了指导。 

2. 4 反渗透膜系统能耗 目前，相对于其他传统的化工分离技术，反渗透 膜技术在能耗方面仍然具有很大的优势，Madaeni 等［19］研究发现，在食品加工业中，与传统的蒸发工 艺相比，通过反渗透膜浓缩果汁中糖分的能耗被大 幅度的降低;除此之外，反渗透膜分离过程也避免了 因为加热蒸发所导致的糖分损失。 脱盐作为反渗透膜技术的传统应用领域，如何 降低能耗一直备受关注。Zhu 等［20］研究了在低水 回收率的条件下发展高通量的反渗透膜，他们发现 这可以有效地降低反渗透苦咸水脱盐的制水成本。 但与此同时，低水回收率又会导致预处理和盐水管 理费用的增加。另一方面，海水淡化过程中，能耗成 本远大于膜成本，所以提高膜通量的经济效益十分 有限。因此，他们提出未来降低反渗透制水成本的 首要驱动力不再是提高膜通量，而应该从提高膜的 抗污染能力，降低原料预处理和盐水管理费用，改进 控制计划，优化过程，以及利用可再生供能源降低生 产成本等方面进行考虑。 虽然提高反渗透系统能量利用效率是减轻反渗 透大规模利用带来的能源压力的一个有效途径，但是从根本上解决这一问题则需要另辟蹊径，将可再 生能源引入反渗透系统。目前，已经有人提出以太 阳能、风能和水能等可再生能源作为反渗透系统的 供能源，并且已经对实施这种构想的基本原则、装置 设计、设备安装、数学模型计算以及经济可行性等方 面做了分析［21 ～ 23］。