水處理技術簡史之反滲透 （上）

反滲透（Reverse Osmosis，RO）的發明和大規模應用是現代水處理技術發展的標誌性成就。作為一種1950年代以後發展起來的先進膜分離技術，反滲透已經廣泛應用於海水淡化、苦鹹水脫鹽、家用水淨化和廢水回用等領域。2018年，全球采用反滲透技術生產的海水淡化水已達到110億噸以上，可供3.2億人使用。近70年來，眾多重要的科學家、企業家和一大批科技公司聯袂演繹了一段精彩紛呈的反滲透技術發展史。

第 一部分 概念驗證

顧名思義，反滲透是相對於滲透（Osmosis）而言的，指的是滲透現象的逆過程。無論滲透過程還是反滲透過程，其核心都是一張半透膜。所謂半透，簡單說就是水能透過，而溶解在水中的鹽或其它溶質則不能透過。如果一張半透膜兩側溶液中的溶質濃度不一致，水分子就會自發地從低濃度側透過膜進入到高濃度側，直至膜兩側溶液濃度一致，或者在膜的高濃度側由於水位升高等原因對低濃度側建立起一定的淨壓差。這就是滲透現象，這個淨壓差就是滲透壓。

我們知道，醫生給病人輸液時經常使用生理鹽水，它是濃度為百分之零點九的氯化鈉水溶液。這個濃度與人的體液濃度相當，因此輸液後不會因在細胞膜兩側發生顯著的滲透現象而對人體造成傷害。滲透現象雖然在我們的身體內每天都在發生，但直到1748年才被法國物理學家諾萊（Jean-Antoine Nollet）從科學角度第 一次發現。

諾萊是個熱愛科學的大人物，據說還給路易十五演示過萊頓瓶放電實驗。他采用豬膀胱作為半透膜，將兩種不同濃度的乙醇水溶液隔開，從而通過實驗觀察到了滲透現象。1886年，一位荷蘭科學家通過總結實驗數據，提出了稀溶液的滲透壓計算公司。如果你學過物理化學，你也許還記得，這個人叫範特霍夫（Van‘t Hoff）。

1950年代，肯尼迪政府為了解決美國一些幹旱地區的水資源短缺問題，以及全國性過度使用地下水的問題，開始寄希望於海水淡化。1952年，美國國會通過鹽水轉化法案（Saline Water Conversion Act）。1953年，開始資助脫鹽技術研究，盡管當年經費隻有17.5萬美元。1955年，美國內務部專門設立了鹽水辦公室（Office of Saline Water，OSW），以統籌各種海水淡化技術的研究。1970年，OSW的年度經費已增至約2600萬美元。

1949年，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的哈斯勒（Gerald Hassler）等人啟動了膜脫鹽研究。1950年，哈斯勒在UCLA的一份內部報告中描述了“鹽排斥滲透膜”（Salt Repelling Osmotic Membrane）的概念，但其後續研究有點跑偏。1956年8月，哈斯勒在另一份UCLA內部報告中首先創造了“Reverse Osmosis”一詞。

1954年前後，弗羅裏達大學瑞德（Charles Reid）教授的團隊在OSW的資助下也開始研究脫鹽滲透膜。他們評價了許多從市場上找到的商業薄膜，發現醋酸纖維素膜具有良好的半透性，鹽截留率大於百分之九十九，水滲透係數為0.00012m³/㎡·d·atm。盡管膜的透水性較現代商業膜低兩個數量級以上，毫無商業價值，但他們第 一次使用人工合成膜實驗驗證了壓力驅動的反滲透膜脫鹽概念。1957年4月，瑞德和他的同事布勒東（E. J. Breton）在給OSW的一份報告中使用了“RO”一詞。

有意思的是，在那個沒有互聯網和朋友圈的年代，盡管這兩所大學都在研究脫鹽膜，但互相並不知情，直到1957年11月，他們在OSW組織的一次研討會上相遇。

接下來的問題是，如何大幅提高膜的透水率，以獲得實用價值呢？

第 二部分 製膜技術突破

1956年，UCLA除了哈斯勒課題組外，尤斯特（Samuel Yuster）教授的課題組也在OSW的資助下開展膜脫鹽研究。33歲的索裏拉金（Srinivasa Sourirajan），一位印度裔科學家，首先參與了這項研究。盡管他們並不知曉瑞德課題組正在進行的研究，但英雄所見略同，他們采用了類似的壓力驅動的研究路線。1958年夏天，41歲的洛布（Sidney Loeb），一位猶太裔科學家，也加入了該課題組。

索裏拉金和洛布首先進行的工作也是篩選商業薄膜。在此過程中，他們發現通過對一種商業醋酸纖維素超濾膜進行熱處理，可以使其具有一定的脫鹽性能。他們還意外地發現，膜在測試時的朝向至關重要，其中一麵朝向進料液的效果要顯著優於另一麵。

熱處理醋酸纖維素膜的鹽截留率達到了百分之九十二，水的滲透係數則達到了0.00095m3/m2·d·atm，遠高於其它薄膜。更為重要的是，他們由此認識到，膜結構上的不對稱性對膜性能影響重大，降低膜的有效厚度是關鍵。為了進一步提高膜的性能，兩位科學家決定自己製膜。

1959年，洛布和索裏拉金通過一係列探索，采用醋酸纖維素-丙酮-水-高氯酸鎂四種原料，以22.2：66.7：10.0：1.1的比例配製鑄膜液，並通過溫度、蒸發時間、熱處理等因素優化，製備出具有不對稱結構的合成反滲透膜。所謂不對稱結構，簡單說就是一張膜由支撐層和分離層兩部分構成，支撐層在結構上比較疏鬆，分離層在結構上比較致密。這種膜後來被稱為L-S膜。

洛布和索裏拉金的不對稱膜的鹽截留率達到百分之九十九，水的滲透係數則達到驚人的0.0048 m3/m2·d·atm，是超濾熱處理膜的5倍，幾乎與現代商業反滲透膜處於同一個數量級。這種膜還具有良好的機械穩定性。這一突破為反滲透技術走向大規模工程應用提供了重要的技術基礎。此後，反滲透膜技術進入了快速發展期，並逐步走向商業應用。

1965年，在洛布參與指導下，世界上第 一台商業反滲透裝置在加利福尼亞州科林加（Coalinga）小鎮建成，每天產水5000加侖。這標誌著人類以可接受成本大規模地從海水製取飲用水的夢想成為了現實。很快，加州多地相繼出現了新的中試線，推動了該技術的迅速進展。

鑒於洛布和索裏拉金在反滲透膜領域的傳奇地位，再對他倆的個人經曆多講幾句。

先說洛布。洛布出生在堪薩斯，1958年加入UCLA攻讀博士學位時已經41歲。在他幫助建立科林加反滲透係統時，他的婚姻也開始出現問題。1966年，也許是為了離開傷心之地，洛布接受了一個去以色列工作9個月的項目邀請。

洛布在以色列的受歡迎程度遠大於美國，這促使他3年後正式加入了以色列本古裏安（Ben-Gurion）大學化學工程係，繼續從事膜技術研究工作。2005年，洛布受邀參加了以色列阿什凱隆（Ashkelon）日產30萬噸淡水的反滲透海水淡化廠的開幕式，親眼見證自己的發明以一種宏大的方式造福世界。洛布2008年去世，終年91歲。

再說索裏拉金。索裏拉金1923年出生於印度，比洛布小7歲。1953年在印度班加羅爾科學研究所獲得博士學位，1954年到耶魯大學化工係從事研究工作，1956-1961年在UCLA工作，1961年到加拿大國家研究院擔任助理研究員，1967年成為高 級研究員，1976年晉升為一 級研究員。索裏拉金長期活躍在膜技術研究領域，並曾於1983年來中國講學。‍