正滲透膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用與展望

王杰

（同濟大學(xué)上海200092）

正滲透膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用與展望

王杰

（同濟大學(xué)上海200092）

簡述了正滲透膜分離的原理，概括了當前正滲透膜分離技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域、污水處理領(lǐng)域（包括工業(yè)污水、污泥濃縮以及混合工藝）和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。并展望了正滲透分離技術(shù)未來在在膜材料、汲取液和膜污染三個方面的研究和發(fā)展。

正滲透；正滲透膜；水處理；應(yīng)用

隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，環(huán)境日益惡化，成為了越來越多人關(guān)心的問題。其中水資源短缺問題尤其得到人們的重視，這直接和人類的生活息息相關(guān)。在這一背景下，膜技術(shù)近年來迅速發(fā)展起來，在水處理領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。

在眾多的膜分離技術(shù)中，目前已經(jīng)得到應(yīng)用的大多為壓力驅(qū)動分離技術(shù)。壓力驅(qū)動分離技術(shù)具有高能耗和高膜污染的缺點，大大降低了其工作效率。而正滲透（Forward Osmosis,FO）技術(shù)無需外壓驅(qū)動，以系統(tǒng)溶液自身的滲透壓驅(qū)動膜分離，其低能耗低污染和高截留率的特點引起了人們的注意。以新加坡和美國為代表的許多國家的科研機構(gòu)，已經(jīng)針對FO膜展開了的深入研究[1-2]。

1　正滲透膜分離的原理

滲透是指水分子從自由能高（滲透壓低）的地方通過半透膜向自由能低（滲透壓高）的方向移動的過程[3]。在FO過程中，這個現(xiàn)象表現(xiàn)為水分子從低濃度溶液向高低濃度溶液移動。水處理中，待處理的低滲透壓液體被稱為原料液，一種相對原料液具有較高滲透壓的溶液被稱為汲取液，水分子通過FO膜從原料液腔體進入汲取液腔體。原料液濃縮后可進入其他污水處理系統(tǒng)處理，被稀釋的原料液則可通過反滲透（Reverse Osmosis,RO）、蒸餾等方式獲取濃縮的溶液和潔凈的淡水，濃縮的溶液可再回收進入正滲透系統(tǒng)中作為汲取液使用。

2　在水處理中的應(yīng)用

2.1海水淡化

將FO技術(shù)應(yīng)用于海水淡化早在20世紀60年代就有人提出，然而受制于當時的制膜水平以及汲取液的原因，還僅僅存在于概念與實驗階段，尚無法付諸于應(yīng)用。2006年，耶魯大學(xué)E-limelech課題組[1]發(fā)明了一種新型汲取液應(yīng)用于海水淡化技術(shù)，并且進行了中試實驗。這項新型技術(shù)的核心在于其選擇了特殊的汲取液，它將碳酸氫鈉與氨水按照一定的配比混合溶解于水中作為驅(qū)動液，該驅(qū)動液兼具了高驅(qū)動壓和易分離兩個優(yōu)點。研究顯示，在驅(qū)動液濃度為6 mol/L的條件下，其滲透壓為249.5atm。以0.5 mol/L氯化鈉溶液作為原料液，系統(tǒng)的滲透壓差（△π）高達213.8 atm，系統(tǒng)的脫鹽率為95%，水通量達到了25 L/m2h。稀釋后的驅(qū)動液，只需將其加熱至60℃，銨鹽即被分解為二氧化碳和氨氣，選擇合適的方法（如蒸餾）將水分離，即可得到純凈的產(chǎn)品水，二氧化碳和氨氣則收集后可循環(huán)使用。該方法同其他海水淡化方法比具有能耗低、脫鹽效果好的優(yōu)勢。但是NgH Y等[4]針對本方法也提出了一些合理的質(zhì)疑，4 mol/L的碳酸氫鈉在50℃時仍不能完全溶解于水中，但是已經(jīng)有氣泡冒出，說明已經(jīng)發(fā)生了分解。在這種情況下驅(qū)動液能否持續(xù)穩(wěn)定的輸出高滲透壓存在一定的疑慮。而驅(qū)動液的回收過程中涉及到了三種銨鹽的化學(xué)反應(yīng)，不可避免地增加了維持系統(tǒng)穩(wěn)定性的難度。

2.2污水處理

FO膜應(yīng)用于污水處理最早出現(xiàn)在工業(yè)廢水領(lǐng)域。70年代有研究者將RO膜作FO用途[5]，濃縮工業(yè)廢水中的重金屬。盡管最終效率較低而放棄了中試試驗，但是這為FO技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。90年代，HTI公司開發(fā)生產(chǎn)了第一種商業(yè)用FO膜CTA，加速了FO應(yīng)用的發(fā)展。York[6]等采用CTA膜處理垃圾滲濾液，在中試試驗濃縮過程中產(chǎn)水率高達90%，有毒有害物質(zhì)的去除率高達99%，達到了國家污染物排放的標準。有研究人員提出了用FO膜兩階段濃縮污泥的方法。采用海水作為汲取液，第一階段直接濃縮活性污泥，進行初步脫水。脫水后的污泥進行消化干化，產(chǎn)生的消化液則進入第二階段再次濃縮。該工藝省去了二沉池的使用，污泥濃縮效果好，局限性該工藝在于僅限于在海岸邊使用。

Achilli等在傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器中，將FO膜替代超濾膜和納濾膜，形成了新的OMBR工藝。這也是當前FO膜的研究熱點之一。OMBR與傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器相比，無需外壓驅(qū)動，膜污染較輕，具有能耗低，清洗周期長的優(yōu)點。但是OMBR汲取液的鹽會在反應(yīng)器中積累，影響生物活性，同時對小分子有機物的去除效果不理想。這時OMBR應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵問題。

FO膜在污水處理中除了單獨使用外，也常常與其他工藝結(jié)合使用。Hancock等[8]將FO系統(tǒng)和RO系統(tǒng)結(jié)合，開發(fā)了海水淡化-污水處理聯(lián)合的工藝。

2.3產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

FO膜分離技術(shù)還在緊急制備飲用水以及航空航天飲用水上得到了廣泛的應(yīng)用。HTI公司開發(fā)了諸多種類的便攜式應(yīng)急飲用水袋，適合在野外旅行和軍隊中使用。原理是將電解質(zhì)溶液和糖類濃溶液置于FO膜的一側(cè)作為汲取液，水源水灌入到FO膜的另一側(cè)，在滲透壓作用下水分子進入電解質(zhì)和糖類溶液，獲得干凈的含糖含電解質(zhì)飲料，不僅可以在野外給予人體水分，同時也可以補充能量。在航空航天計劃中，飲用水是必不可少又占用質(zhì)量和體積的元素。美國宇航局設(shè)計了一套以FO與RO技術(shù)為核心的水循環(huán)系統(tǒng)，將太空中產(chǎn)生的生活廢水反復(fù)利用，效果和能耗都具有一定的優(yōu)勢，該技術(shù)已經(jīng)被美國宇航局列為太空用水候選技術(shù)[9]。

3　正滲透膜分離技術(shù)研究展望

FO技術(shù)從發(fā)明至今已有幾十年的歷史，然而對其研究和開發(fā)存在著很多的不足。從當前的發(fā)展情況來看，未來的FO研究將圍繞著以下幾點來展開：

3.1膜材料的研發(fā)

通過開發(fā)新的膜材料，一方面是提高膜的機械性能以及膜的耐酸耐堿能力，以延長膜使用壽命，降低使用成本。另一方面是提高鹽的截留率，降低膜的厚度，緩解濃差極化現(xiàn)象的發(fā)生。機械性能的提高和膜厚度的降低可以說是矛盾的，因此對膜結(jié)構(gòu)的革新改造將是膜材料研究的關(guān)鍵。

3.2汲取液的研究

汲取液是FO系統(tǒng)的驅(qū)動力源。保證汲取液的驅(qū)動壓力是首要因素，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出回收利用經(jīng)濟簡單，回收率高的汲取液是目前研究的目標，也是最大的難點之一。

3.3膜污染的解決

盡管FO膜污染情況要遠輕于常規(guī)的膜生物反應(yīng)器，但是膜污染依然是限制其應(yīng)用水平的一大因素。FO膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其膜污染組成要比普通壓力驅(qū)動膜污染更為復(fù)雜，這也為數(shù)學(xué)模型的建立設(shè)立了難題。在膜清洗領(lǐng)域同其他膜分離技術(shù)相比還缺乏探索。

總的來說，因FO膜存在的各種優(yōu)勢，隨著今后對其研究的進一步開展，在不遠的將來，必會在水處理領(lǐng)域，以及其他行業(yè)得到更為廣泛和深入的應(yīng)用。

[1]Elimelech M.Yale constructs forward osmosis desalination pilot plant[J].Membrane Technology,2007,(1):7-8.

[2]WangKY,ChungTS,Qin J J.Polybenzimidazole(PBI)nanofiltration hollow fiber membranes applied in forward osmosis process[J]. Journal ofMembrane Science,2007,300(1-2):6-12.

[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(2):1-4.

[4]Ng H Y,Tang Wanling,Wong W S.Performance of forward direct osmosis process:membrane structure and transport phenomenon[J]. Environmental Science&Technology,2006,40(7):2408-2413.

[5]Anderson D K.Concentration of Dilute Industrial Waste by Direct Osmosis[D].University of Rhode Island，Providence,1977.