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现在家用反渗透(RO)净水器的工作原理是怎么回事?



文章发布时间:2015/5/27 7:58:46



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现在家用反渗透(RO)净水器的工作原理是怎么回事?谢邀,首先赞一个题主的求知精神。
留个坑慢慢答,有空会补充一些净水的基础知识和常见误区。

来了。吐个槽先。目前,基于消费者自己研究的各种关于净水产业的知识各种不靠谱,譬如smzdm里面的几篇净水设备经验,让我不忍直视。
究其原因,
一是这个行业实在是太乱了。
二是这个行业太暴利了。
三是消费者的相关知识太少了。
四是净水设备厂商实际上也不想让你懂太多。
关于这些,留个坑慢慢写。

先回答题主的问题:反渗透是怎么过滤杂质的?
两个字:高压。回答完毕。

好吧,从题主的问题来看,这两个字是满足不了你的,以下希望能解决你的疑虑。


1. 反渗透膜的材质是什么?


目前主流的反渗透膜是 全芳香高交联度聚酰胺 材质 ,好长的名字,大家明白这是什么吗?我猜有%98.76的知乎小伙伴们是一头的雾水。


好吧,PA你知道吧?

也不知道?

尼龙呢?

拿尼?也不知道?

等等,我听说过尼龙绳。。。你是说。。。

对,尼龙是一种神奇的材质,衍生物有千万种,下面有请我们的材料学Team leader登台为大家讲解。。。。。。。。哦,组建中啊,你怎么不早说。


总之,这种材质是有弹性的,就像,就像。。。算了,你自己领悟吧。


2. 反渗透膜的结构



对,这是增压泵,目的就是把水压增加到70psi左右。通过高压,使水分子从膜的一侧移动到另一侧,也就是为什么0.324nm的水分子能通过0.1nm的膜孔,确切的说是挤过去的。


至于为啥Ca+离子差不多0.1-0.3nm,镁离子差不多0.06-0.26nm没能挤过去呢?说实话我也不懂。懂的话我就去申请专利自己搞膜了,貌似现在好多国产膜,用的膜组件也是进口的,国内只是卷一下而已。

我只能告诉你反渗透是要排废水的,纯水和废水的比率大概是1:3,其实废水的TDS也就是增加一点而已,完全可以利用,这是另外一个话题了,也是我眼里反渗透的唯一缺点。


今天先到这里。


---------------------------6月10日更新-------------------------------------------


好了,我们接着聊。

上面我们聊到了反渗透的原理,下面我们再来说一下实际应用。


4,反渗透的实际应用。


先给大家举两个高大上的例子。


起初,这种技术被用在太空舱里解决宇航员的用水问题。


太空舱是一个密闭的小空间,每一滴水都很珍贵,所有的汗液,尿液,和洗澡用水,都是要循环利用的,这也是为什么以前反渗透处理的纯净水也叫太空水的缘故。


其次,反渗透技术被大量用来做海水淡化。


这是已知的在海上除了接雨水之外的,唯一有效补充到淡水的方式,当然做海水淡化有专用的海水淡化膜,但是原理是一样的,海水淡化在国内做的比较大的应用是在山东长岛,因为岛上没有淡水供应,所有的淡水都是通过海水淡化而来的,每日处理量达到上万吨,综合成本在每吨8到10元之间,还是比较经济的。


然后,反渗透技术被大量应用作污水处理。


有人可能会问,污水怎么会用到反渗透?其实工业中很多废水污染物非常厉害,里面包括各种剧毒物质,如果直接排到自然水体中,可能会造成非常严重的后果。

反渗透的优点在于能够去除水中大多数溶解物。一般来说,合格的反渗透膜系统脱盐率在95%到98%左右。所以污水经过预处理,然后再经过反渗透,基本上出来的水可以达到直接排放的要求了。

由于我是非专业人士,所以我也有一个疑问,虽然污水可以经过反渗透处理,但是还是有浓缩水出现的。在家用的时候都随着自来水排掉了,那么污水处理中,超过反渗透膜处理极限的那些水,排到哪里去了呢?这个期待专业人士来解答一下,



接下来,医药和食品行业里面用的水。


这两种都需要经过反渗透处理,达到去除污染物的目的。在医药行业里面用的是超纯水,需要经过两次反渗透处理,然后经过EDI超纯水设备进一步处理,经过三级处理,可以达到无任何杂质和细菌的水平(0.00x ppm)。食品行业里边就没有这么严格,一般就是经过一级反渗透,去掉里边的大多数(95%以上)杂质和细菌病毒。

反渗透水处理在电镀行业也有普遍的应用,主要是为了去除水中的盐,盐的存在会影响电镀的效果,这个对于电镀行业来说是必需品,


最后再说说离我们比较近的。


现在很多餐饮店,甜品饮料店,开始应用反渗透产品。用反渗透的话,最直接的效果是:你到一些店里吃饭,喝他们提供的白开水,如果有一些店里边的白开水难以下咽,他们就是用的自来水烧开了给你喝。而有些高档的饭店或者星级酒店里边的白开水,你喝的话感觉会比较柔和,就是经过了反渗透的处理。星级酒店里面如果用水处理设备,评级是可以直接加3分的。

夏天大家都喜欢吃甜品,如果甜品店里的冰沙、冰淇淋用的是自来水的话,你吃下去会怎么样?

采用不洁净的水源最直接的效果就是你会拉肚子。冷饮店里是不会有凉白开这种东西的。

最靠谱的方案就是经过反渗透的处理,把水里面的病菌过滤掉,效果还是非常好的。


再一个大家喝的桶装水和瓶装水,其实基本上也是反渗透技术处理过的纯净水。

所以有很多人在抵制纯净水的时候,其实我是在偷笑的,你根本就不可能拒绝纯净水。

这也是大家普遍存在的一个误区,有机会我会另外说一下关于水与营养和健康的关系。

当你去超市里面买水的时候,看一下标签就会知道,很多所谓的矿物质水,其实就是纯净水,然后人为添加了一些所谓的矿物质在里边,其实那些矿物质就叫食品添加剂好吗?详情我会在另一篇文章来分析我们大家平时能买到的饮用水。



顺便问一下其实我一直想在知乎开个专栏,给大家讲解净水行业的相关知识,但是不知道怎么来操作,有知道的知友可以告诉我一下吗?


桶装水就暂且不说了,各种问题,而且大家也心知肚明,


下面再来818,净水行业的乱象。


大家在选购净水器的时候往往会听到很多不同的说法。

例如,反渗透跟超滤会相互攻击对方,反渗透说超滤过滤的水不干净,没能去除水中的有害杂质。

超滤说反渗透过滤出来的水太干净了,里边连矿物质都没有,所有的营养都被过滤掉了,对人体不利。

是不是听起来好像都有道理,是不是有点无所适从?

所以有些不明真相的群众就干脆说,算了算了,你们吵来吵去我也搞不明白,我只要喝白开水就行了。


这个时候我真的很痛心,追根溯源,都是利益在驱使。


回顾几年前,净水行业还没有这么普及的时候,市场容量比较小,大家的利润也都很高。

举个例子,很多国外巨头的水处理设备,其实过滤精度都不高,但是卖的很贵很贵,利润非常高。

比如说某一些产品,卖到几千块钱的东西,实际上成本只有几十块你相信吗?

没错,我说的就是某些超滤类的产品。

这种东西在我国的现实环境中,只能作为粗过滤来使用。

这种水过滤出来我是不建议直接饮用的,虽然能过滤到水中的悬浮物和泥沙颗粒等等以及一部分的细菌,但是很多细菌和病毒以及可以溶解的物质,比如各种无机盐,重金属,农药化肥残留等,还有钙镁离子各种微量元素,通通都可以通过。


机器是没有选择性的好吗?

很多厂家不负责任的宣传说,经过这种过滤处理的水,会保留有益的矿物质和微量元素。

但是他们没有跟你说,污染物同时也会保留吧!

哦,对了,他们说的是,会去除一部分污染物对吧!那他们没有说,会去掉一部分微量元素和矿物质吧!


举个极端点的例子,跟家里的自来水相比,河沟里的水营养物质肯定要高的多吧!但是这样的水你会去喝吗?

中国的自来水大多数是地表水,其实就是河水你知道吗?

中国的水里“营养物质”那么多,水厂处理的时候需要计算成本的。

比如说,苯污染不到一定程度,他们不会主动想办法去降低水中的苯含量的。只有没办法啦,不得不处理的时候,才会拖拖拉拉不情愿的去处理好吗?


所以在当今社会现状下,我个人是坚定的纯净水支持者。


另外,有一些厂商为了绑定自己的客户,把自己的产品设计成不通用的滤芯。

如果你买了他们的机器,以后更换滤芯只能任人宰割了,因为别家的你按不上。

净水设备是一个持续性的产品,滤芯的使用是需要持续投入的。你一直用他们的产品,他们做梦都会笑醒的。

其实传统上来说,做净水就是卖滤芯,特别对于某些国外巨头。

其实除了滤芯之外,连接滤芯的那些底座成本有限,几乎可以忽略不计。

如果我是做这种机器的,我会这样来卖:我会买滤芯送净水机!

如果家里已经安装有净水机的,你可以回去看看,如果你把滤芯拆下来以后,基本上就不剩什么东西了?那么恭喜你,冤大头的头衔对你来说是最合适不过了。



今天先说这么多吧,下次继续。

显示全部


答友:因为反渗透的过滤机理不是机械筛分。

行业内不用孔径来表示反渗透过滤精度。而是用相对分子质量,相对分子质量小于100的物质会透过反渗透膜。
过滤工艺截留组分从大到小,分别为,微滤(~1μm),超滤(0.001~0.02μm),纳滤(1nm),反渗透(~0.1nm)。同时他们的过滤压力也越来越高
前两个的过滤机理是机械筛分,就是想象你用一个筛子,比筛子孔径小的会漏过去,而大的会留下来。
而反渗透不是筛分,他的过滤机理是分子扩散之类的,所以水能通过,基本上只有水分子和单价离子这些分子量小于100的能通过。
纳滤的机理介于反渗透和筛分之间,它截留分子量200以上的物质。

如楼上所说,膜这行真的很暴利。。。


答友:前段时间在做RO的实验,其实RO的透过机理现在还不是很清楚,、
下面是中国海洋大学一位博士生的综述,直接复制了一段过来,


反渗透膜的透过机理
反渗透是运用压力(1~l 0MPa)使溶液中的水通过反渗透膜,达到分离、提
取、纯化、浓缩等目的的处理技术。关于反渗透膜的透过机理,自20世纪中期以
来,诸多研究者先后提出了多种反渗透膜的透过机理和模型。

1)优先吸附-毛细孔流动模型
S. Sourirajan(Sourirajan S,1970)等人提出了优先吸附-毛细孔流动理论
以及最大分离的临界孔径。以 NaCl 水溶液为例,溶质是 NaCl, 认为膜的表面能
选择性吸水,因此水被优先吸附在膜表面上,而对 NaCl 则排斥。在压力的作用
下,优先吸附的水通过膜,便形成了脱盐的过程基于这种模型的膜在膜表面必须
有相应大小的毛细孔。在模型基础上,S.Kimura 和 S.Sourirajan 对反渗透资料
进行分析和处理,并考虑到浓差极化,提出了一套传质方程式。
模型的提出有其理论依据,而传质公式是基于试验给出的,推导中的一些
假设仅限于一定的条件。但公式有很好的适用性。

2) 形成氢键模型
该理论是由 Reid(Reid C E.,1959)等人提出的,并通过醋酸纤维膜进行了
解释。该理论认为,膜的表面很致密,其上有大量的活化点,键合一定数目的结
合水,这种水已失去溶剂化能力,盐水中的盐不能溶于其中。进料液中的水分子
在压力下可与膜上的活化点形成氢键而缔合,使该活化点上的其它结合水解缔下
来,该解缔的结合水又与下面的活化点缔合,使该点原有的结合水解缔下来,该
过程不断从膜面向下层进行,水分子从膜面进入膜内,最后从底层解脱下来成为
产品水。

3)溶解扩散模型
Lonsdale 和 Podall(Lonsdale H,1972)等人提出溶解扩散模型。该模型假
设膜是完美无缺的理想膜。高压侧溶液中的溶剂和溶质先溶于膜中,然后在化学
位的推动力下,从膜的一侧向另一侧以分子扩散方式通过,直至透过膜。溶剂和
溶质在膜中的扩散服从 Fick 定律,这种模型认为溶剂和溶质都可能溶于膜表面,
因此物质的渗透能力不仅取决于扩散系数,而且取决于其在膜中的溶解度,溶质
的扩散系数比水分子的扩散系数要小得多,因而透过膜的水分子数量就比通过扩
散而透过去的溶质数量更多。

目前,在三种模型中,以溶解扩散模型应用最为广泛。当然其它两种模型也
能够对反渗透膜的透过机理进行解释。比如对于醋酸纤维素膜,用溶解扩散模型
来解释有一定偏差,而用选择性吸附-毛细管流模型则可以很好的解释。另外,
还有学者提出脱盐中心模型,表面力-孔流模型等。总而言之,反渗透膜透过机
理还在发展中,期待新的更好的科研手段和理论的出现。显示全部


答友:同意 @恶之華的说法,过滤精度不等于孔径尺寸。

过滤设备有一个指标是"Micron Rating",应该就是广告里的“过滤精度”。它代表的是可以用来过滤多少微米的颗粒。过滤的原理不一定是用孔筛,还可能利用吸附原理,比如活性碳。
parker.com/literature/R

A micron rating for a fluid filter is a generalized way of indicating the ability of the filter to remove contaminants by the size of the particles.

另外补充几点:
1、RO膜的过滤原理不仅仅是尺寸,极性很重要,特别是在纳米级别的过滤中。离子是带电荷的,有很强的极性。水是中性的,虽然它也有一点极性,但是比起离子来就弱很多了。溶液里极性相近的物体会相吸引,而极性差别大的物体会相排斥。所以RO膜其实就是半透膜,用弱极性的有机聚合物就可以只通过水,并排斥离子。

2、离子在水里的直径要比晶体里的大很多。因为离子带电荷,本身就会牢牢地吸附至少一层水分子。所以水中的离子直径至少比水分子大2倍。理论上讲其实只要孔径小于离子的Debye长度就能过滤了。

3、因为水中还可能有各种有机物、细菌,如果直接RO过滤就会很快堵塞RO膜。所以RO系统一定要有一个前阶段的过滤,用活性炭之类的把有机物和微生物都过滤干净。

4、至于说RO会过滤掉人体需要的微量元素,我认为这个纯属商家的一面之词。现代人的生活里不缺营养。水里没有微量元素,食物里还有不少。

5、最后是一点价格参考。我最近刚刚给实验室的RO系统换了滤芯。我的实验室在加拿大,用的是Rainfresh RO450M系统,全套系统在当地的价格合2000元人民币。过滤部分是4个阶段:1微米级过滤,20微米级活性炭,RO膜反渗透,还有一个后期滤芯。
其中RO膜¥435,一年一换。其它三个部件共¥250,半年一换。所以看看国内市场上的那些净水设备的价格,真心感觉比较坑爹。


答友:针对题主提出的最新的问题,即Ro膜已经能过滤了除水以外基本所有物质,为什么还需要后置活性炭。这是因为,由于Ro膜制水速度很慢,大概130ml/min,而鹅颈龙头(就是纯水机的水龙头)出水速度为1.5L/min,这里面存在很大的差值,因此需要有一个压力储水罐来补充。
但是压力储水罐相当于底层是空气,上层是水,只见是一层塑料膜之类的物质。当水在里面呆的时间长了会有气味影响口感,因此用后置活性炭去除气味。
接着问题来了,虽然后置活性炭可以去除异味,但是!后置活性炭是细菌繁殖的最佳场所,里面的缝隙给予了微生物寄居场所,如果里面有一些有机物的话则繁殖更快!题主可能会问哪来的微生物?微生物是通过鹅颈龙头,从空气中反向进入的。
为了解决这个问题,通常还会有处理从后置活性炭出来的水里的微生物的装置,一般可以用紫外线杀菌。

当然,现在也有不用后置活性炭的设备,那么前提是他也没有压力储水罐。他应该是通过改进RO滤芯的通量或者多并联几个Ro滤芯来实现的把。

总之,题主的问题我是解答了


答友:反渗透技术用于净水已经是很成熟的技术了,最开始是用于海水淡化,现在工业中净水也多用这种办法。只是反渗透并不算是“节能”的技术,成本还是比较高的。它要通过加压迫使水分子逆渗透压通过RO膜。所以工作的时候会耗电,而且并不是你想什么时候用水什么时候就有,它工作的时候会以一定速率产生净化水。关键在于你就算再加压,也不能把所有水分子都压到一边去。它会产生一部分无法再处理的废水,计算成本的时候要把这部分也考虑进去。

至于孔径问题,给你贴一张百度找来的PPT截图(反渗透原理和反渗透膜,1A=0.1nm):

对于膜分离本身的原理也有好几种理论,并不像拿网捞鱼,大网孔的捞大鱼,小孔捞小鱼那么简单。很多理论都认为透膜的物质会和膜本身相互作用。对这些理论感兴趣的话可以去参考相关论文和书籍。其实大部分的物质都可以透过膜,只是透过能力差别巨大。对于反渗透来说,加压挤过去的不仅是水,有一部分其他离子也挤过去了,但这部分相对比较少,所以陶氏自己也说Salt Rejection有98%。你可以理解为体积越大的想要过去也就需要越大的压力,加压刚好足够水过去的话,其他的东西过去的就很少了。而且你看上面的图,溶解在水中的氧气其实也能过去的。

另外 @moski ivan,这技术已经发展几十年了,现今用于家用净水的其实并不贵。陶氏提供的其实就是你给的视频中那个做成管状的过滤器。美的其实就是买来这个管子包装一下,前面加几个其他的过滤器而已。按照美的提供的产水速率(约7L/h,不知道他那60L/h的用的是什么黑科技),能查到陶氏对应的产品型号大概是TW30-1812-50,这玩意阿里巴巴上卖的最贵的也就300块钱一根,均价也就100多,国产的更便宜。美的的话换一根将近300吧。更换的话也没什么麻烦的,只要封装好,就是插两根管子的事。

Reference:
msdssearch.dow.com/Publ(这个是陶氏的家用级过滤器的产品页面)
tw30-1812-50_tw30-1812 100(这是阿里巴巴上该滤膜的采购信息)


答友:啊哈!前天水污染处理工程刚上完RO,过来侃侃。
楼上的大神都讲的好细致,我就补充一点点。
RO净水技术简单来说就是把你要处理的水往半透膜上加压,小分子物质通过半透膜,大分子无法通过半透膜。半透膜的孔径越小过滤精度不一定越高,这个取决于半透膜的原理和结构。就我目前学到的知识来说,RO净水技术类似过滤,但这种“过滤”已经是从宏观物理层次一直细致到了化学研究的分子层次。
总的来说,过滤精度越高,得到的水越纯,同时,设备需要施加在半透膜的上的压力越大,半透膜的损耗越大,设备的价格和维护保养越昂贵。
这个,具体有多贵呢?飞过来给我们上课的教授在美国的家自己有一套RO设备,整个设备好像是要四五百美元,在中国可能要四五千,这个数据记得不是很清楚,记得很清楚的是,每过6到8个月就要替换一次RO膜,而且RO设备前面一般会接超滤设备,超滤膜半年替换一次,一次120美元。
但是教授也说了,现在中国生产的半透膜比美帝便宜,天津打算在渤海湾建海水净化工厂,净化的水直供北京缓解用水压力,海水净化工厂使用的就是RO净水技术。这个事情如果是真的,说明我们国家生产的RO膜已经便宜到一种境界...具体有多便宜,还没进入行业的本科党表示无能为力。

小弟在学校的专业是英文教学,中文术语用使用不当的地方还请各位前辈指点 TAT


答友:我只是想说反渗透膜是紧密形的,基本没有孔,其具体的透水的原理貌似和超滤纳滤不大相同,现在学术上有提出了好几种原理。而且他那个孔径的数据应该没有什么意义吧!想了解的话建议去看看资料,工业上的反渗透能耗还是比较高的,实验室里搞的就是膜材料


答友:佩服大神!


答友:其实反渗透的工作原理,是非常简单的。亦就是高盐份的水往低盐份逆向分解,期间要用反作用力去推动膜的工作。


答友:后置活性炭应该是为了进一步吸附水里的超标菌类,因为RO膜的使用周期相对较长,更换频率低,而使用到后期的膜会结垢,会长菌!


答友: 微滤超滤纳滤这些可以用题主的思路来想,具体就是微滤能过滤微生物细菌这些,超滤就是大分子和重金属离子,纳滤就是二价离子以上。过滤机理一个是筛分还有架桥作用吸附作用这一类的作用。
反渗透这个就跟上面那一众的技术不同,现在比较能接受的理论是溶解扩散的原理,就是理想状态下能通过的就只有水分子。不是通过孔来通过的。简单的理解是这个反渗透膜接触水的这个表面是亲水的并且能把水溶解在膜里然后运到另外一面,所以孔什么的基本在反渗透膜上面是视作不存在的。
上面有知友提到了国产的膜组件,就我了解来说国内只有很有限的几家公司宣称能够制造反渗透膜,而且几乎都还没有生产商用。所以其实基本都是进口的膜,最多在国内制造而已。
具体回去看完了书再来答
后置活性炭滤芯能够更加彻底的吸附净水中的异色、异味,调整出水的口感,同时抑制水中细菌的再生,确保出水就是无菌且口感不错的水。


年柱占七杀:年干七杀:表示祖宗一代威武刚强,如果岁杀一位不用制伏,喜日主健旺,羊刃合杀其人必然有贵气,即祖父或父母是当官之人。年干七杀逢食神:出生于名门大家。年干七杀逢正官:祖父或父是武官。年干七杀逢印绶:祖父或父母有实权。年干七杀逢财星:行财运发福清秀。年干七杀逢羊刃、六合(年月相合)表示祖宗威武刚强。但有的根基浅薄,贫困无力。年干七杀逢失月令:主生于清寒世家,年月天干化合(如丙辛)先贫后富。年

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