关于高效反渗透（High Efficiency Reverse Osmosis，HERO），虽然在超纯水制备或（废水）近零排放项目工艺中时有提及，但是其具体内容却鲜有分享。

所以今日借此机会给大家简单科普一下HERO的一些基础概念及其在水处理领域的应用。

正文：

第一、HERO的身世

1996-1997年间，印裔美国工程师Debasish Mukhopadhyay提出一种反渗透组合工艺——以离子交换除硬、高pH值RO运行（pH>8.5）等为主要特征，即高效反渗透（HERO）工艺。Deb作为唯一发明人和专利权人申请了专利（US5,925,255）。

HERO工艺在提出之初，主要被用于超纯水制备，通过高pH值下二氧化硅的离子化，HERO工艺改善了反渗透膜对硅的截留率，同时具有更高的系统水回收率。

后来，阿奎克公司将其作为自己的主推膜浓缩工艺用于零排放项目，HERO因此声名鹊起。

无独有偶，德士古公司（Texaco）于1992年也申请了一件以除硬和高pH值RO运行（pH>9.5）为主要特征的组合反渗透专利（US5,250,185）。该组合工艺最初用于油田采出水中硼的去除。

后来，威立雅购买了该专利的排他许可，并在此基础上推出了优化预处理与独特分离（OPUS）工艺，作为自己在零排放项目中的主推膜浓缩工艺（来源：万米空间，少量修改）。

很显然，HERO与OPUS在技术特征上非常具有相似性。①在超纯水制备领域，两者的高pH运行条件有效促进了硅、硼等元素的离子化，并为RO工艺下的有效去除提供了有利条件。②在近零排放膜浓缩领域，两者的技术思想有效促进了常规膜浓缩工艺的进步，其中彻底软化、多段浓缩、段间软化等设计逐渐成为主流膜浓缩工艺的核心思想。

备注：下文将不重点区分HERO、OPUS及其它同类工艺或专利，统一以HERO代称此类要求极低进水硬度（硬度＜1mg/L），高pH（8.5~11）运行条件的反渗透组合工艺。

第二、HERO在超纯水制备领域的应用

在超纯水制备领域，作为常规RO工艺的优化，HERO最主要的优势是提高了硅、硼的去除率（对TOC的去除也有一定帮助，主要是基于微生物生长的抑制），当然最重要的控制环节还是在于硬度的控制（＜1mg/L），以减少无机盐（主要是碳酸钙）结垢的风险。

备注：关于碳酸盐的平衡及结垢分析可参考前文《浅谈RO装置的极限回收率》。

（一）HERO对硅的高效去除原理

在超纯水制备领域，HERO工艺早期目的是高效去除水中的溶解性二氧化硅（水溶态硅）。水溶态硅在水中存在以下动态平衡：

是不是很复杂？为了方便理解我们把其中电离部分简化成类似水中碳酸盐平衡一样的转换关系式如下：

SiO2+H2O⇌H2SiO3⇌H(+)+HSiO3-⇌2H(+)+SiO3(2-)

SiO2:二氧化硅

H2SiO3：偏硅酸（硅酸），分子量78.1Da

HSiO3-：次偏硅酸氢根离子

SiO3(2-)：偏硅酸根

当二氧化硅溶解于水中后初始形成为偏硅酸，其主要以分子形式存在，所以反渗透对其的去除率并不高。当我们通过加碱（NaOH）来逐步提高进水的pH时，水中的H2SiO3逐渐开始电离，并在不同pH条件下，逐渐呈现出如下状态：

当pH＜7时，主要以H2SiO3形式存在；

当7＜pH＜9时，H2SiO3和HSiO3-形式共存；

当9＜pH＜10时，HSiO3-和SiO3(2-)形式共存；

当pH＞10时，主要以SiO3(2-)形式共存；

所以如果想要较好地通过RO工艺去除硅，需要保持进水pH＞10以达到最佳去除效果，此时亦可同步有效去除硼元素。

（二）HERO对硼的高效去除原理

虽然硼和硅不属于同族元素，但是前者在元素周期表中紧挨着碳元素，而后者和碳元素则属于同族元素，并且因为硼酸的分子量（硼酸是硼元素在水中分子形式的主要存在形式，分子量61.8Da）更小（相对于偏硅酸78.1Da而言），普通RO对硼的去除显得更为低效。硼溶解于水中形成水溶态硼，其化学转换式如下：

H3BO3+H2O⇌H(+)+B(OH)4-

H3BO3：硼酸，分子量61.8Da

B(OH)4-：硼酸根离子

与碳酸盐平衡类似，水溶态硼在不同pH条件下，在水中呈现出如下状态：

当pH＜7时，主要以H3BO3形式存在；

当7＜pH＜10.5时，H3BO3和B(OH)4-形式共存；

当pH＞10.5时，主要以B(OH)4-形式共存。

在反渗透运行过程中，如果反渗透进水是中性或酸性，一级反渗透对硼酸的去除效率只有30%~50%。但是当我们提高反渗透进水的pH值，可以迅速提高反渗透对硼的去除率，从下图可以看出，当反渗透进水pH值调到10.5以上时，反渗透对硼的去除率可达90%以上。

蓝色：进水硼含量，单位ppb

橙色：产水硼含量，单位ppb

绿色：硼去除率，（1-橙色/蓝色）*100%