正滲透膜在水處理應(yīng)用中的研究進展

劉松

摘要：正滲透技術(shù)作為一種以滲透壓差作為驅(qū)動力的膜技術(shù)，在近十年受到越來越廣泛的關(guān)注，其具有的潛在優(yōu)勢是其受到持續(xù)關(guān)注的主要原因。然而在這些研究與應(yīng)用中，通常將正滲透與其他技術(shù)組合成正滲透混合系統(tǒng)加以應(yīng)用。文章針對正滲透混合系統(tǒng)在水處理中應(yīng)用的研究進展進行綜述，以期為正滲透技術(shù)的進步做出貢獻。

關(guān)鍵詞：正滲透；膜分離；驅(qū)動液；污水處理；滲透壓差 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ3

人口的持續(xù)快速增長已經(jīng)使得對全球水和能源的可持續(xù)性問題備受關(guān)注。由于目前凈水的生產(chǎn)仍然是能量密度非常高的過程，因此如何在低耗能的前提下滿足不斷增長的用水需求是本世紀(jì)面臨的一項重要挑戰(zhàn)。

正滲透（FO）技術(shù)作為一種新興的膜分離技術(shù)在過去的十年間受到了來自科研和工業(yè)開發(fā)領(lǐng)域越來越廣泛的關(guān)注。FO是通過自然的滲透作用將水分子從半透膜一側(cè)的含鹽溶液中提取到膜另一側(cè)的高濃度驅(qū)動液（DS）中。由于是由膜兩邊的滲透壓差提供驅(qū)動力，F(xiàn)O技術(shù)可以克服例如反滲透（RO）等水壓驅(qū)動膜分離過程的不足。然而，F(xiàn)O技術(shù)同樣也面臨一些主要的技術(shù)障礙，如缺少為FO專門設(shè)計的膜材料、驅(qū)動液的回收及再濃縮等。研究者還指出FO僅僅在不需要對驅(qū)動液進行進一步處理的情況下才是一種低能耗的過程，因此現(xiàn)存的FO是一個低能耗過程的概念是具有誤導(dǎo)性的。雖然成功實現(xiàn)FO技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用仍然需要克服一些挑戰(zhàn)，但近年來在該領(lǐng)域的研究成果也頗為豐富，本文綜述FO技術(shù)在水處理領(lǐng)域內(nèi)最新的研究及應(yīng)用進展，特別是FO技術(shù)和其他水處理技術(shù)的組合應(yīng)用將重點關(guān)注。

1 正滲透膜技術(shù)介紹

1.1 正滲透膜技術(shù)原理

正滲透是指水通過有選擇性的半透膜，從高化學(xué)勢（低濃度）溶液一側(cè)傳遞到低化學(xué)勢（高濃度）溶液一側(cè)，是自然界中廣泛存在的一種物理現(xiàn)象，正滲透的驅(qū)動力來自膜兩側(cè)溶劑的化學(xué)勢差或者兩側(cè)溶液的滲透壓差[1]，而不是液體壓力，這與壓力驅(qū)動膜分離過程是有所區(qū)別，也決定了技術(shù)特點與壓力驅(qū)動膜不同。

反滲透（RO）、正滲透（FO）和壓力延緩滲透過程（Pressure Retarded Osmosis，PRO）的基本原理[1]，在半透膜兩側(cè)分別是原料液（Feed Solution，F(xiàn)S）和驅(qū)動液（Draw Solution，DS），DS能提供高滲透壓，本示意圖中DS是濃鹽水（Brine），在無外加壓力△P時，在滲透壓△π作用下，水從低濃度的FS透過半透膜流向高濃度的DS，F(xiàn)S中大多數(shù)溶質(zhì)分子和離子被截留下來，高濃度的DS逐漸被稀釋；對于反滲透，在DS側(cè)施加壓力△P，并且對△π<△P，水從高濃度的DS擴散到低濃度的FS；當(dāng)△π>△P時，所施加外力不足以抵抗?jié)B透壓，水仍會從FS流向DS，這樣利用滲透壓差就可以對外輸出做功，從而獲得能量，此工藝過程為壓力延緩滲透過程（PRO），通常將此過程也稱為正滲透過程[2]。對于FO、RO、PRO過程，水通量都可以用公式（1）來表示：

JW =A（σΔπ-ΔP）（1）

其中Jw為水通量，L·h-1·m-2；A為膜的水滲透性常數(shù)；σ為反射系數(shù)；Δπ 為滲透壓，Pa；ΔP 為外加壓力，Pa [1]。

1.2 滲透膜技術(shù)特點

正滲透技術(shù)原理決定了其技術(shù)特點，即水在無或較低的水力壓力可以擴散，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對FO技術(shù)優(yōu)點進行了概括總結(jié)[1-6]，主要為低能耗、低膜污染且大部分可逆，以及能夠有效地截留污染物，PRO可以利用鹽差能來發(fā)電，對環(huán)境友好、能源密度大，鹽差能發(fā)電是一項極具前景的清潔可再生綠色能源技術(shù)。

2 正滲透技術(shù)在水處理方面應(yīng)用

Cath和Elimelech等[1] 在2006年對正滲透技術(shù)原理、應(yīng)用和發(fā)展趨勢進行了綜述后，正滲透技術(shù)引起了眾多學(xué)者的興趣，將之應(yīng)用多個領(lǐng)域，同時進行了更為詳細(xì)和深入的研究。特別是近幾年國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了大量的研究成果，Zhao[2]等概述總結(jié)近幾年一些主要研究成果，并闡述了正滲透技術(shù)所面臨的機會和挑戰(zhàn)，將FO技術(shù)應(yīng)用歸納為水、能源和生命三大領(lǐng)域，水領(lǐng)域主要包括海水脫鹽、廢水處理和回用等。本文主要針對FO技術(shù)（不包括PRO產(chǎn)能發(fā)電）在水領(lǐng)域的近幾年研究成果和新趨勢進行簡要分析和總結(jié)。

2.1 海水脫鹽

FO技術(shù)早在1970s已經(jīng)應(yīng)用到海水淡化領(lǐng)域，但早期研究不成熟，隨著FO膜商業(yè)化應(yīng)用成為可能，F(xiàn)O在海水脫鹽的研究報道越來越多。一般采用FO脫鹽包括2個步驟，首先，海水中的水分子滲透到驅(qū)動液一側(cè)，之后將稀釋的驅(qū)動液濃縮同時產(chǎn)生新鮮水。與RO不同，F(xiàn)O需要從稀釋后的驅(qū)動液中分離水，進行驅(qū)動液的濃縮和水的回收，這就需要能量，如果沒有合適驅(qū)動液和較好的回收工藝，還有可能造成能源的消耗，其低能耗優(yōu)點不明顯，所以在對于FO技術(shù)和其他海水淡化技術(shù)進行對比時，更需要注意全過程的對比（稀釋的驅(qū)動液再生過程）[7，8]。

2.2 廢水處理和回用

關(guān)于FO在某些廢水處理和回用的應(yīng)用在許多文獻中均有報道，早在1980s采用FO處理工業(yè)廢水的可行性就被研究，根據(jù)FO膜商業(yè)化供應(yīng)商美國HTI公司資料顯示[9]，F(xiàn)O可以應(yīng)用到油氣田廢水處理、工業(yè)和市政廢水處理、核工業(yè)廢水處理等方面。FO工藝與其他廢水處理技術(shù)聯(lián)用（FO-RO，OMBR（Osmotic membrane bioreactor），F(xiàn)O-MFC（microbial fuel cell））來解決水污染問題和能源問題越來越受到關(guān)注，很多學(xué)者進行了探索研究。

FO-RO組合工藝同時實現(xiàn)海水脫鹽和廢水凈化，這將是FO工藝應(yīng)用在水領(lǐng)域很重要的方向之一，Elimelech團隊[10]也將此組合工藝應(yīng)用到海水脫鹽和廢水凈化進行了研究，主要探討了FO膜污染和控制問題，發(fā)現(xiàn)FO膜支撐層的膜污染可以忽略，活性層的膜污染主要是由各類污染物沉積到膜表面形成濾餅層引起，在沒有化學(xué)清洗的情況下，考察了3種水力學(xué)方法（剪切力、湍流強度和脈沖）減小膜污染的效果，試驗結(jié)果表明，水力學(xué)方法是能夠有效地減緩和去除膜污染，原因在于正滲透過程是沒有外界的水力壓力，僅是靠滲透壓力來完成分離過程，所形成的濾餅層比較松散易于去除。

3 結(jié)語

正滲透膜工藝以其低能耗、低膜污和高水質(zhì)的顯著優(yōu)點越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究，在水處理領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用前景。但是將FO工藝運用到實際工程中，需要面臨著許多關(guān)鍵技術(shù)問題與挑戰(zhàn)，正滲透膜工藝由FS、DS和膜組成，對于水處理領(lǐng)域FS相對固定，DS和膜以及這三部分相互作用所產(chǎn)生的濃差極化、膜污染、溶質(zhì)反擴散都是需要解決的問題和以后研究的重點，特別是理想驅(qū)動液的選擇和膜制備將是最關(guān)鍵的技術(shù)。盡管缺乏用于正滲透膜分離過程中商業(yè)化的合適膜及其組件和理想的驅(qū)動液，但基礎(chǔ)的正滲透研究和新的應(yīng)用正在穩(wěn)步發(fā)展。

參考文獻

[1]Cath T，Childress A，Elimelech M. Forward osmosis：Principles，applications，and recent developments[J]. Journal of Membrane Science. 2006，281（1-2）：70-87.

[2]Zhao S，Zou L，Tang CY，Mulcahy D. Recent developments in forward osmosis：Opportunities and challenges[J]. Journal of Membrane Science. 2012，396：1-21.

[3]高從堦，鄭根江，汪錳，等.正滲透-水純化和脫鹽的新途徑[J].水處理技術(shù)，2008，34（2）：1-4.

[4]鐘銘，尤世界，王秀蘅，等.溫度對正向滲透的影響機制與數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報，2012，63（10）：3143-51.

[5]李剛，李學(xué)梅，王鐸，等.正滲透膜技術(shù)及其應(yīng)用[J].化工進展，2010，29（8）：1388-98.

（作者單位：黑龍江省建筑安裝集團有限公司）