反渗透（Reverse Osmosis, RO）是一种在压力驱动下，利用半透膜选择性分离溶液中溶质与溶剂的技术，其核心在于RO膜对水分子的高效透过与对溶质的高效截留。这一过程的实现依赖于膜的微观结构特性与分子间相互作用的协同作用。
一、分离原理：从渗透到反渗透的逆向驱动
自然渗透过程中，当两种不同浓度的溶液被半透膜分隔时，水分子会自发从低浓度侧（纯水）向高浓度侧（盐水）扩散，直至两侧渗透压平衡。反渗透则通过外加压力（通常1-10 MPa）克服高浓度侧的渗透压，迫使水分子逆向渗透至低浓度侧，实现溶剂与溶质的分离。这一过程的本质是“压力能”对“化学势差”的逆向突破，其驱动力为操作压力与渗透压的差值（ΔP - π）。
二、微观机制：膜的“筛分-传递”双重功能
RO膜的分离能力由其微观结构与表面特性共同决定，核心机制可归纳为以下三点：
分子尺寸筛分效应
RO膜的活性层（厚度约0.1-1 μm）具有纳米级孔径（通常0.1-0.8 nm），远小于常见溶质分子（如NaCl离子直径约0.2-0.6 nm，蔗糖分子约0.5 nm，病毒约20-300 nm）。水分子（直径约0.27 nm）可通过膜内连续的亲水性通道，而溶质因尺寸超过孔径或被膜表面电荷排斥，被截留在原侧。例如，海水淡化用RO膜的孔径可精准筛分Na⁺（0.358 nm）、Cl⁻（0.332 nm）等小离子，实现98%以上的脱盐率。
溶解-扩散传质过程
根据“溶解-扩散模型”，水分子首先在膜表面溶解（因膜材料多为极性高分子，如聚酰胺，具有亲水性），形成结合水层；随后，溶解的水分子通过膜内部的致密无定形区或微孔结构扩散至另一侧，最终脱附进入纯水通道。溶质分子（如盐类）因极性弱或尺寸过大，难以溶解于膜表面，或因扩散速率远低于水分子（约为水分子的1/1000），被有效截留。
表面电荷与静电排斥
RO膜活性层通常带有负电荷（如聚酰胺膜表面的羧基、磺酸基团），可通过静电作用增强对带正电溶质（如Ca²⁺、Mg²⁺）的截留。例如，当进水pH升高时，膜表面负电荷密度增加，对阴离子（如SO₄²⁻）的静电排斥增强，截留率进一步提升；而对中性分子（如尿素）的截留则主要依赖尺寸筛分。
三、材料与结构的协同优化
现代RO膜多采用“复合膜”结构：表层为超薄（约0.1 μm）的高交联度聚酰胺活性层（负责分离），下层为多孔支撑层（如聚砜、聚醚砜）提供机械强度。这种设计既保证了高透水性（通量可达25-40 L/(m²·h)），又通过活性层的精细化学调控（如引入哌嗪、间苯二胺等单体）优化表面电荷与孔径分布，实现“高通量+高截留”的平衡。
反渗透膜的微观机制揭示了其“精准分离”的本质——通过纳米级孔径的物理筛分、分子溶解扩散的动力学差异，以及表面电荷的静电作用，共同构建起溶剂与溶质的高效分离屏障。这一过程的深入理解，为膜材料改性（如石墨烯复合膜、MOF掺杂膜）与工艺优化（如低压力反渗透、闭式循环反渗透）提供了理论支撑，推动RO技术在海水淡化、工业纯水、废水零排放等领域的持续创新。
