反滲透（RO）膜的分離原理與微觀機制

反滲透（Reverse Osmosis, RO）是一種在壓力驅動下，利用半透膜選擇性分離溶液中溶質與溶劑的技術，其核心在于RO膜對水分子的高效透過與對溶質的高效截留。這一過程的實現依賴于膜的微觀結構特性與分子間相互作用的協同作用。

一、分離原理：從滲透到反滲透的逆向驅動

自然滲透過程中，當兩種不同濃度的溶液被半透膜分隔時，水分子會自發從低濃度側（純水）向高濃度側（鹽水）擴散，直至兩側滲透壓平衡。反滲透則通過外加壓力（通常1-10 MPa）克服高濃度側的滲透壓，迫使水分子逆向滲透至低濃度側，實現溶劑與溶質的分離。這一過程的本質是“壓力能”對“化學勢差”的逆向突破，其驅動力為操作壓力與滲透壓的差值（ΔP - π）。

二、微觀機制：膜的“篩分-傳遞”雙重功能

RO膜的分離能力由其微觀結構與表面特性共同決定，核心機制可歸納為以下三點：

1. 分子尺寸篩分效應
   RO膜的活性層（厚度約0.1-1 μm）具有納米級孔徑（通常0.1-0.8 nm），遠小于常見溶質分子（如NaCl離子直徑約0.2-0.6 nm，蔗糖分子約0.5 nm，病毒約20-300 nm）。水分子（直徑約0.27 nm）可通過膜內連續的親水性通道，而溶質因尺寸超過孔徑或被膜表面電荷排斥，被截留在原側。例如，海水淡化用RO膜的孔徑可精準篩分Na?（0.358 nm）、Cl?（0.332 nm）等小離子，實現98%以上的脫鹽率。

2. 溶解-擴散傳質過程
   根據“溶解-擴散模型”，水分子首先在膜表面溶解（因膜材料多為極性高分子，如聚酰胺，具有親水性），形成結合水層；隨后，溶解的水分子通過膜內部的致密無定形區或微孔結構擴散至另一側，最終脫附進入純水通道。溶質分子（如鹽類）因極性弱或尺寸過大，難以溶解于膜表面，或因擴散速率遠低于水分子（約為水分子的1/1000），被有效截留。

3. 表面電荷與靜電排斥
   RO膜活性層通常帶有負電荷（如聚酰胺膜表面的羧基、磺酸基團），可通過靜電作用增強對帶正電溶質（如Ca2?、Mg2?）的截留。例如，當進水pH升高時，膜表面負電荷密度增加，對陰離子（如SO?2?）的靜電排斥增強，截留率進一步提升；而對中性分子（如尿素）的截留則主要依賴尺寸篩分。

三、材料與結構的協同優化

現代RO膜多采用“復合膜”結構：表層為超薄（約0.1 μm）的高交聯度聚酰胺活性層（負責分離），下層為多孔支撐層（如聚砜、聚醚砜）提供機械強度。這種設計既保證了高透水性（通量可達25-40 L/(m2·h)），又通過活性層的精細化學調控（如引入哌嗪、間苯二胺等單體）優化表面電荷與孔徑分布，實現“高通量+高截留”的平衡。

反滲透膜的微觀機制揭示了其“精準分離”的本質——通過納米級孔徑的物理篩分、分子溶解擴散的動力學差異，以及表面電荷的靜電作用，共同構建起溶劑與溶質的高效分離屏障。這一過程的深入理解，為膜材料改性（如石墨烯復合膜、MOF摻雜膜）與工藝優化（如低壓力反滲透、閉式循環反滲透）提供了理論支撐，推動RO技術在海水淡化、工業純水、廢水零排放等領域的持續創新。