超滤与纳滤和反渗透的差别在于分离溶质的大小,反渗透需要使用对流体阻力大的更致密的膜,从而截留这些小分子,而这些小分子溶质可自由地通过超滤膜。事实上,纳滤和反渗透膜可视为介多孔膜(微滤/超滤)与致密无孔膜(全蒸发/气体分离)之间的过程。因为膜阻力较大,所以为使同样量的溶剂通过膜,就需要使用较高的压力,而且需克服渗透压(海水的渗透压力大约是2.5MPa)。
原则上反渗透可用于很多领域,可分成溶剂纯化(即以渗透物为产物)和溶质浓缩(即以原料为产物)两大类。大部分应用是水的纯化,主要是半咸水脱盐,特别是由海水生产饮用水(海水淡化)。半咸水中盐的含量为0.1%=0.5%,而海水中盐的含量为3.5%。另一个重要应用为制备半导体工业用超纯水。
反渗透中所使用的压力为2~10MPa,纳滤为1~2MPa,比超滤要高得多。与超滤和微滤相反,纳滤和反渗透膜材料的选择将直接影响分离效率,也就是膜(材料)必须对溶剂亲和力高,而对溶质亲和力低。这意味着材料的选择十分重要,因为它决定了膜的本征特性。这与微滤和超滤有明显差异。对于微滤和超滤,膜孔尺寸决定着分离性能,而材料的选择主要是考虑其化学稳定性。
通过膜的通量和对各种溶质的选择性同样重要。当根据其本征分离性质选择了一种材料后,可以通过降低厚度来提高用此材料制备的膜的通量。通量近似反比于膜厚,所以大部分反渗透膜均具有不对称结构,即由一个薄的致密皮层(厚度<1pm)和一多孔内层(厚度约为50-150um)组成,传递阻力主要取决于致密皮层。具有不对称结构的膜可以分成两类,即(一体化的)不对称膜和复合膜。
很重要的一类由相转化法制备的不对称反渗透膜是纤维素酯,特别是二醋酸纤维素酯和三醋酸纤维素。这些材料对水的渗透系数高而对盐的溶解度很低,所以非常适用于脱盐过程。然而,尽管由这些材料制成的膜的性能很好,但其耐化学试剂、耐温和抗菌能力都很差,这类膜典型的操作条件为pH值为5~7,温度低于30℃,以避免聚合物水解。乙酰化程度越高,越不易水解。因此,二醋酸纤维素耐水解能力不如三醋酸纤维素。生物降解也是相当严重的问题。醋酸纤维素膜的另一个缺点是对葡萄糖或蔗糖等碳水化合物以外的其他小分子有机物的选择性低。
反渗透膜的制备通常采用的是第二种类型的结构,即复合膜,大部分纳滤膜实际上也是复合膜。这类膜的皮层和内层由不同聚合物材料构成,因此每层均可独立地发挥其最大作用。制备复合膜的第一步是制备多孔内层。对于内层很重要的是其表面孔隙率和孔径分布,通常采用不对称超滤膜。在内层上沉积很薄的致密层的方法包括:浸没涂敷、原位聚合、界面聚合和等离子聚合。
由于反渗透膜、纳滤膜可看成是介于多孔的超滤膜和非常致密的全蒸发/气体分离膜之间的一种过程,因此其结构并不需要像全蒸发/气体分离那样致密。大部分复合反渗透膜和纳滤膜是通过界面聚合制备的。