正渗透膜分离技术的研究与应用

刘松山 程经国

摘要：在水资源和环境问题日益突出的背景下，正渗透膜技术作为一种绿色能源技术为上述问题提供了低能耗和高效率的解决方案。目前，这项技术在国内外广受推崇，探索研究工作取得丰硕的成果。本文就这项技术在海水淡化、绿色能源、污水回用等领域的应用进行了分析论述，并对其发展前景进行了展望。

关键词：正渗透膜；研究；应用

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）04（b）-0000-00

正渗透（FO）也被称为渗透，是普遍存在于自然界的现象。FO技术的特点是运用两种化学溶液的化学位或者渗透压方面的差异，不需要另外施加压力。运用FO技术中水在半透膜中的自发性、选择性的传递性质，与循环性能极佳的驱动溶液相结合，在海水脱盐领域运用极为广泛。

一、正渗透膜材料

（一）用于减压渗透的复合正渗透膜

在对复合正渗透膜的制备过程中，研究者们对五十多种支撑材料进行了试验，运用相转变法，可达到1.3W/m2 的性能，如果运用强度较高的材料，通过MPD和TMC进行界面聚合成膜。在制备复合膜的时候，如果运用有机溶剂，则其溶剂很可能去除有机酸，有机膜的完整性得到保存的同时其性能没有降低。除此之外，对甲酸对膜性能的影响程度进行了考察，甲酸能够水解正渗透膜表面的聚酰胺，使其转化为分子颗粒较小的聚合物，并与膜分离溶解于水中，在这个过程中，膜的水通量得到了很大提高同时水解过程中，会产生酸和氨基团，二者能够重新排列组合成为一体，在膜通量提升的过程中，截留率保持在95%左右的水平。表1对正渗透膜材料及其主要性能进行了列举。从表中可以看出，PBI中空纤维FO是一种具有高通量的材料。

（二）驱动溶液

在正渗透技术中，另外一部分关键内容便是对驱动溶液的选择，驱动溶液能够产生渗透压，因此是一个具有渗透压的体系。一种较为理想的驱动溶质应当达到下列标准：1）在水环境中为了产生理想的渗透压，应当具备高溶解度和小分子量。2）具有无毒害性以至于可以在水中安全存在。3）与正渗透膜在化学反应上能够兼容，二者不发生化学反应。4）在透水分离和溶液驱动方面具有方便性和经济性。通常情况下，运用最为普遍的驱动溶液是Nacl，Nacl在溶解性、可循环性、无结垢性等方面具有突出优势，但是Nacl具有分离困难的弊端。

二、在相关领域中的应用

FO在绿色环保方面具有突出的优势，因其低能耗、低污染以及高回收等特点在污水处理等领域运用潜力非常大。正渗透技术在发电、工业废水处理、食品、航天等领域具有很大的运用潜力，正渗透技术还凭借其在抗污染及其低能耗方面的突出优势，在传统工业生产工艺中也广受推崇，它与其他技术手段紧密结合，正在形成性的创新点。

（一）海水淡化

虽然在上个世纪六、七十年代在海水淡化领域就有人提出运用正渗透膜的理念，但是受制于关键技术，例如膜和驱动溶液，所以这个想法与技术没有得到广泛运用。现阶段，膜与驱动溶液的技术难题已经得到解决，国外相关专与学者在海水脱盐领域对正渗透膜的运用进行了综合而系统地研究，并且研发了一种新型系统。国外学者将上述系统分成两段，前者是正渗透膜部分，实现了海水中淡水向高化学势向低化学势的转化。这种系统中的驱动液选取混合铵盐，混合铵盐具有理想的渗透压，能够较为便捷地实现与海水的分离。

后者是驱动溶液的回收部位，提取于海水中的水稀释铵盐溶液，然后在宜的温度下（60℃左右），通过加热，铵盐被分解为铵和CO2，通过循环使用最后剩余的便是稀盐水，通过柱状蒸馏即可获取纯净水。通过软件模拟可以发现，驱动溶液经过稀释之后浓度降低为1.5mol/L，相对于MSF，运用FO耗电量可以降低85%，相对于RO，耗电量可减低72%。在运用FO进行海水淡化的整个过程中，耗电量仅为0.25kW.h/m3，比目前运用最广泛的脱盐技术的能耗降低1.6-3.02kW.h/m3。在现阶段FO运用于海水脱盐领域已经处于中试阶段。

（二）食品和医药方面

FO技术具有显著的操作低温低压性，这项优势与上文中论述的低能耗、低污染特性相结合，使得FO技术在液体食品浓缩领域得到了广泛运用，对液体食品从生产到储存，的整个过程都非常有利。在该领域传统的方式为热处理法，浓缩模式包括真空蒸发和冷冻，然而前者对那些热敏性物质会产生及其不利的影响，存在破坏食品口感和营养成分的可能性，并且能耗非常高，这些缺陷限制了其运用范围。反渗透法的膜很容易遭到污染，并且浓缩程度不太理性，因此使用范围与价值也很有限。

FO技术所运用的膜具有纳米或者微米级别的孔，合理运用这一特征，能够通过膜孔的直径进行控制来对物质的扩散速度进行改变，制造出扩散控制的药物运输系统对药物释放实践进行延长，从而定点、定量地将药物运输至体内。为了将这一事件更好地延长，美国ALzet公司于上世纪七十年代设计了渗透泵，这个渗透泵能够凭借一个小孔将释放速率降至最低，药物持续释放时间可以长达一年。

二、 正渗透技术展望

FO是一种新型的膜技术，在工业废水处理、发电、航天工业等领域正在逐渐深入与渗透。在现阶段，FO技术还很难与传统的水处理技术，即反渗透技术相抗衡。但是FO技术过程与材料在环保性等方面具有无可比拟的优越性，正在工业污水、航天工业等领域得到认可与运用。与此同时FO技术已经处于中试阶段，相信在不就的将来，FO必将成为一项具有超强竞争力的绿色能源技术。

在现阶段，FO技术绝大部分还处于理论实验阶段，距离在化工领域的运用以及在对主流的水处理技术取而代之的目标仍然有很长一段路。FO技术由于其运用过程中存在着特别严重的内浓差极化现象，在海水淡化和食品加工领域，FO技术通量不太理想，因此FO技术要想在市场中得到广泛应用，解决膜材料的设计和制备是前提条件。FO材料抗污染性佳，但是其化学和物理原理与机制尚不明确，这方面需要更加深入地探讨与研究。目前FO技术应用领域还相当有限，如何结合实际生产需要对FO材料进行设计，是正渗透膜技术得以广泛运用的前提条件。

参考文献：

[1]逯鹏.抗污染性正渗透膜的研制及其在海水淡化中的应用[D].济南大学，2014.

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