正渗透膜在水处理应用中的研究进展

刘松

摘要：正渗透技术作为一种以渗透压差作为驱动力的膜技术，在近十年受到越来越广泛的关注，其具有的潜在优势是其受到持续关注的主要原因。然而在这些研究与应用中，通常将正渗透与其他技术组合成正渗透混合系统加以应用。文章针对正渗透混合系统在水处理中应用的研究进展进行综述，以期为正渗透技术的进步做出贡献。

关键词：正渗透；膜分离；驱动液；污水处理；渗透压差 文献标识码：A

中图分类号：TQ3

人口的持续快速增长已经使得对全球水和能源的可持续性问题备受关注。由于目前净水的生产仍然是能量密度非常高的过程，因此如何在低耗能的前提下满足不断增长的用水需求是本世纪面临的一项重要挑战。

正渗透（FO）技术作为一种新兴的膜分离技术在过去的十年间受到了来自科研和工业开发领域越来越广泛的关注。FO是通过自然的渗透作用将水分子从半透膜一侧的含盐溶液中提取到膜另一侧的高浓度驱动液（DS）中。由于是由膜两边的渗透压差提供驱动力，FO技术可以克服例如反渗透（RO）等水压驱动膜分离过程的不足。然而，FO技术同样也面临一些主要的技术障碍，如缺少为FO专门设计的膜材料、驱动液的回收及再浓缩等。研究者还指出FO仅仅在不需要对驱动液进行进一步处理的情况下才是一种低能耗的过程，因此现存的FO是一个低能耗过程的概念是具有误导性的。虽然成功实现FO技术的工业应用仍然需要克服一些挑战，但近年来在该领域的研究成果也颇为丰富，本文综述FO技术在水处理领域内最新的研究及应用进展，特别是FO技术和其他水处理技术的组合应用将重点关注。

1 正渗透膜技术介绍

1.1 正渗透膜技术原理

正渗透是指水通过有选择性的半透膜，从高化学势（低浓度）溶液一侧传递到低化学势（高浓度）溶液一侧，是自然界中广泛存在的一种物理现象，正渗透的驱动力来自膜两侧溶剂的化学势差或者两侧溶液的渗透压差[1]，而不是液体压力，这与压力驱动膜分离过程是有所区别，也决定了技术特点与压力驱动膜不同。

反渗透（RO）、正渗透（FO）和压力延缓渗透过程（Pressure Retarded Osmosis，PRO）的基本原理[1]，在半透膜两侧分别是原料液（Feed Solution，FS）和驱动液（Draw Solution，DS），DS能提供高渗透压，本示意图中DS是浓盐水（Brine），在无外加压力△P时，在渗透压△π作用下，水从低浓度的FS透过半透膜流向高浓度的DS，FS中大多数溶质分子和离子被截留下来，高浓度的DS逐渐被稀释；对于反渗透，在DS侧施加压力△P，并且对△π<△P，水从高浓度的DS扩散到低浓度的FS；当△π>△P时，所施加外力不足以抵抗渗透压，水仍会从FS流向DS，这样利用渗透压差就可以对外输出做功，从而获得能量，此工艺过程为压力延缓渗透过程（PRO），通常将此过程也称为正渗透过程[2]。对于FO、RO、PRO过程，水通量都可以用公式（1）来表示：

JW =A（σΔπ-ΔP）（1）

其中Jw为水通量，L·h-1·m-2；A为膜的水渗透性常数；σ为反射系数；Δπ 为渗透压，Pa；ΔP 为外加压力，Pa [1]。

1.2 渗透膜技术特点

正渗透技术原理决定了其技术特点，即水在无或较低的水力压力可以扩散，国内外许多学者已经对FO技术优点进行了概括总结[1-6]，主要为低能耗、低膜污染且大部分可逆，以及能够有效地截留污染物，PRO可以利用盐差能来发电，对环境友好、能源密度大，盐差能发电是一项极具前景的清洁可再生绿色能源技术。

2 正渗透技术在水处理方面应用

Cath和Elimelech等[1] 在2006年对正渗透技术原理、应用和发展趋势进行了综述后，正渗透技术引起了众多学者的兴趣，将之应用多个领域，同时进行了更为详细和深入的研究。特别是近几年国内外学者发表了大量的研究成果，Zhao[2]等概述总结近几年一些主要研究成果，并阐述了正渗透技术所面临的机会和挑战，将FO技术应用归纳为水、能源和生命三大领域，水领域主要包括海水脱盐、废水处理和回用等。本文主要针对FO技术（不包括PRO产能发电）在水领域的近几年研究成果和新趋势进行简要分析和总结。

2.1 海水脱盐

FO技术早在1970s已经应用到海水淡化领域，但早期研究不成熟，随着FO膜商业化应用成为可能，FO在海水脫盐的研究报道越来越多。一般采用FO脱盐包括2个步骤，首先，海水中的水分子渗透到驱动液一侧，之后将稀释的驱动液浓缩同时产生新鲜水。与RO不同，FO需要从稀释后的驱动液中分离水，进行驱动液的浓缩和水的回收，这就需要能量，如果没有合适驱动液和较好的回收工艺，还有可能造成能源的消耗，其低能耗优点不明显，所以在对于FO技术和其他海水淡化技术进行对比时，更需要注意全过程的对比（稀释的驱动液再生过程）[7，8]。

2.2 废水处理和回用

关于FO在某些废水处理和回用的应用在许多文献中均有报道，早在1980s采用FO处理工业废水的可行性就被研究，根据FO膜商业化供应商美国HTI公司资料显示[9]，FO可以应用到油气田废水处理、工业和市政废水处理、核工业废水处理等方面。FO工艺与其他废水处理技术联用（FO-RO，OMBR（Osmotic membrane bioreactor），FO-MFC（microbial fuel cell））来解决水污染问题和能源问题越来越受到关注，很多学者进行了探索研究。

FO-RO组合工艺同时实现海水脱盐和废水净化，这将是FO工艺应用在水领域很重要的方向之一，Elimelech团队[10]也将此组合工艺应用到海水脱盐和废水净化进行了研究，主要探讨了FO膜污染和控制问题，发现FO膜支撑层的膜污染可以忽略，活性层的膜污染主要是由各类污染物沉积到膜表面形成滤饼层引起，在没有化学清洗的情况下，考察了3种水力学方法（剪切力、湍流强度和脉冲）减小膜污染的效果，试验结果表明，水力学方法是能够有效地减缓和去除膜污染，原因在于正渗透过程是没有外界的水力压力，仅是靠渗透压力来完成分离过程，所形成的滤饼层比较松散易于去除。

3 结语

正渗透膜工艺以其低能耗、低膜污和高水质的显著优点越来越受到国内外学者的关注和研究，在水处理领域具有广泛的潜在应用前景。但是将FO工艺运用到实际工程中，需要面临着许多关键技术问题与挑战，正渗透膜工艺由FS、DS和膜组成，对于水处理领域FS相对固定，DS和膜以及这三部分相互作用所产生的浓差极化、膜污染、溶质反扩散都是需要解决的问题和以后研究的重点，特别是理想驱动液的选择和膜制备将是最关键的技术。尽管缺乏用于正渗透膜分离过程中商业化的合适膜及其组件和理想的驱动液，但基础的正渗透研究和新的应用正在稳步发展。

参考文献

[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]高从堦，郑根江，汪锰，等.正渗透-水纯化和脱盐的新途径[J].水处理技术，2008，34（2）：1-4.

[4]钟铭，尤世界，王秀蘅，等.温度对正向渗透的影响机制与数值模拟[J].化工学报，2012，63（10）：3143-51.

[5]李刚，李学梅，王铎，等.正渗透膜技术及其应用[J].化工进展，2010，29（8）：1388-98.

（作者单位：黑龙江省建筑安装集团有限公司）