新型聚酰胺復(fù)合正滲透膜對(duì)重金屬的脫除效果

楊超臣 喻雄 冉美惠 馬英 谷戰(zhàn)英 林錫柱 李建安

摘要：以新型聚酰胺復(fù)合正滲透膜的2種膜方位[膜的活性層朝向原料液（即AL-FS模式）和膜的活性層朝向汲取液（即AL-DS模式）]對(duì)5種不同的重金屬原料液進(jìn)行處理。結(jié)果表明，在AL-DS模式下各處理的正向水通量都高于在AL-FS模式下的，且同一重金屬原液在2種模式下水通量差異極顯著（P<0.01）。反向鹽通量表現(xiàn)為 AL-DS 模式高于AL-FS模式，但只有砷、汞的反向鹽通量在2種模式下差異顯著（P<0.05）。對(duì)于同一重金屬原液，Js/Jw 值表現(xiàn)為 AL-DS模式均低于AL-FS模式，且2種模式下的Js/Jw值都低于0.02。2種模式下對(duì)汞的攔截效果都很好，攔截率分別達(dá)到99.50%（AL-DS模式）、90.66%（AL-FS模式），其中以鉛、砷、汞為原液時(shí)，重金屬攔截率表現(xiàn)為AL-DS模式高于AL-FS模式，以鎘、鉻為原液時(shí)結(jié)果相反。

關(guān)鍵詞：新型聚酰胺復(fù)合正滲透膜;不同膜朝向;AL-FS模式;AL-DS模式;重金屬;水處理

中圖分類(lèi)號(hào)： X712? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）05-0222-03

收稿日期：2017-10-24

基金項(xiàng)目：2014年度引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（編號(hào)：2014-4-26）;湖南省教育廳優(yōu)秀青年科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：16B278）;湖南省校企合作創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地（編號(hào)：2016-436-10）。

作者簡(jiǎn)介：楊超臣（1991—），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)林生態(tài)栽培與利用。E-mail：1358058246@qq.com。

通信作者：李建安，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)林生態(tài)經(jīng)營(yíng)。E-mail：lja0731@126.com。

正滲透水處理技術(shù)（forward osmosis，簡(jiǎn)稱(chēng)FO）由于其低能耗、膜污染較低、易于清洗、高截留、高水回收率等優(yōu)點(diǎn)，獲得了較好的發(fā)展空間[1]。與反滲透相比，正滲透是一個(gè)滲透驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程，利用溶液滲透壓差驅(qū)動(dòng)水從原料液側(cè)透過(guò)半透膜到達(dá)驅(qū)動(dòng)膜側(cè)。正滲透優(yōu)勢(shì)明顯，有望成為反滲透技術(shù)聯(lián)合水處理的最佳輔助手段[2]。

正滲透水肥一體化灌溉技術(shù)在重金屬污染地區(qū)農(nóng)林生產(chǎn)中有重要應(yīng)用前景，特別是在有較高利用價(jià)值的經(jīng)濟(jì)作物栽培灌溉上，正滲透處理后的汲取液可直接用于灌溉苗木，可大幅度減少農(nóng)作物肥料污染，是獲得綠色農(nóng)產(chǎn)品的關(guān)鍵。而獲得高效正滲透膜是應(yīng)用這一技術(shù)的關(guān)鍵。近幾年來(lái)，正滲透膜技術(shù)不斷改進(jìn)，相繼出現(xiàn)了不同的正滲透膜[3-6]，正滲透技術(shù)又重新回歸人們的視野，但是關(guān)于正滲透膜對(duì)重金屬截取率以及有機(jī)污染物的研究并不多。由于目前多數(shù)正滲透膜水通量不高，影響了正滲透技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合正滲透膜因其性能良好、具有相對(duì)高的水通量等特點(diǎn)得到越來(lái)越多研究者的重視[7-8]。

正滲透汲取液是影響正滲透過(guò)程的另一個(gè)重要因素。在廢水正滲透處理方面，有研究采用天然海水作為正滲透汲取液處理生活廢水[3]，因?yàn)樘烊缓Ｋ跒I海地區(qū)易于獲得且產(chǎn)物水易于處理。澳大利亞悉尼科技大學(xué)的Phuntsho等將化肥作為正滲透過(guò)程的汲取液[9-10]，實(shí)現(xiàn)了水處理與農(nóng)田灌溉的有機(jī)結(jié)合。

本研究采用正滲透技術(shù)，以磷酸二氫鉀溶液作為汲取液，以重金屬?gòu)U水作為原料液，研究新型聚酰胺復(fù)合正滲透膜對(duì)水中重金屬的處理效果，以及將該技術(shù)應(yīng)用于葡萄、油茶、棗樹(shù)等的灌溉效果，以期為正滲透的改進(jìn)、正滲透在重金屬污染地區(qū)的灌溉用水凈化及正滲透水肥一體化灌溉的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

正滲透水處理設(shè)備，由西安皓海嘉水處理科技有限責(zé)任公司生產(chǎn);新型聚酰胺復(fù)合正滲透膜，由中國(guó)海洋大學(xué)研制（聚砜多孔支撐膜有效面積為0.02 m2，支撐厚度為79 μm，膜厚度為96 μm）;TDS-3筆，購(gòu)自廣州家貝科技有限公司;AFG原子吸收分光光度計(jì)、PF7原子熒光光度計(jì)，購(gòu)自北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;UV-7504c紫外分光光度計(jì)，購(gòu)自上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)原理

正滲透處理小試設(shè)備操作流程見(jiàn)圖1。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于中南林業(yè)科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)林育種與栽培國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2017年1—5月。分別以濃度均為1 mg/L的汞、鉻、鎘、砷、鉛重金屬溶液作為原料液，以 1 mol/L 磷酸二氫鉀溶液作為汲取液并置于25 ℃水浴鍋中，分別對(duì)聚酰胺復(fù)合膜不同朝向[膜的活性層朝向原液（即AL-FS 模式）和膜的活性層朝向汲取液（即AL-DS模式）]的膜性能和重金屬攔截情況進(jìn)行測(cè)試。汲取液流速為 0.4 L/min，原液流速為4 L/min，開(kāi)啟設(shè)備，每15 min記錄1次數(shù)據(jù)，運(yùn)行2 h后取水樣50 mL，裝入聚乙烯瓶中，貼好標(biāo)簽。檢測(cè)水樣中的重金屬含量。試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

按照下列公式計(jì)算正向水通量、反向鹽通量、Js/Jw及R：

式中：Jw為正向水通量， 是t（h）時(shí)間透過(guò)面積為A（m2）的正

滲透膜的水量ΔW，L/（m2·h）;ρw為水的密度，kg/m3。

式中：Js為反向鹽通量，mol/（m2·h）;v1為t1時(shí)間原液的體積，L;v2為t2時(shí)間原液的體積，L;TDS1為t1時(shí)間原液的溶解性總固體濃度，mg/L;TDS2為t2時(shí)間原液的溶解性總固體濃度，mg/L;t1為記錄開(kāi)始時(shí)間，h;t2為記錄結(jié)束時(shí)間，h;（t2-t1）取值 30 min;2 721.8為毫克轉(zhuǎn)化為克的系數(shù)1 000、膜面積0.02 m2和磷酸二氫鉀的摩爾質(zhì)量136.09 g/mol的乘積。

Js/Jw反映膜的攔截性能，與水通量、反向鹽通量相關(guān)。

綜上，綜合考慮4種指標(biāo)，建議采用AL-DS模式以提高灌溉水處理效率。提高正滲透膜的性能是正滲透領(lǐng)域正在解決和有望解決的問(wèn)題，這也將從根本上解決正滲透的瓶頸問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mi B X，Elimelech M. Organic fouling of forward osmosis membranes：fouling reversibility and cleaning without chemical reagents[J]. Journal of Membrane Science，2010，348（1/2）：337-345.

[2]Subramani A，Badruzzaman M，Oppenheimer J A. Energy minimization strategies and renewable energy utilization for desalination：a review[J]. Water Research，2011，45（5）：1907-1920.

[3]許春玲. 聚酰胺中空纖維正滲透復(fù)合膜的制備及性能研究[D]. 青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2013.

[4]劉蕾蕾，王 鐸，汪 錳，等. 三醋酸纖維素正滲透膜制備過(guò)程中影響因素的研究[J]. 膜科學(xué)與技術(shù)，2011，31（1）：77-83.

[5]李 剛. 正滲透膜的制備與應(yīng)用[D]. 青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2014.

[6]解利昕，辛 婧，解 奧. 三乙酸纖維素正滲透膜的制備與性能[J]. 化工進(jìn)展，2014，33（10）：2700-2706.

[7]Chung T S，Zhang S，Wang K Y，et al. Forward osmosis processes：yesterday，today and tomorrow[J]. Desalination，2012，287：78-81.

[8]肖維溢，管盼盼，王 鐸. 新型聚酰胺復(fù)合正滲透膜的制備與表征[J]. 功能材料，2016（增刊1）：127-134.

[9]Phuntsho S，Shon H K，Hong S，et al. A novel low energy fertilizer driven forward osmosis desalination for direct fertigation：evaluating the performance of fertilizer draw solutions[J]. Journal of Membrane Science，2011，375（1/2）：172-181.

[10]Phuntsho S，Shon H K，Majeed T，et al. Blended fertilizers as draw solutions for fertilizer-drawn forward osmosis desalination[J]. Environmental Science & Technology，2012，46（8）：4567-4575.

[11]吳子焱. 無(wú)機(jī)正滲透膜的制備及去除水中的Cd2+效能的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[12]林紅軍，陳建榮，陸曉峰，等. 正滲透膜技術(shù)在水處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（12F）：411-415.

[13]王 毅，謝朝新，周寧玉，等. 正滲透膜活性層朝向?qū)φ凉B透過(guò)程的影響研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2014，46（增刊2）：49-53.

[14]Jin X，She Q H，Ang XL，et al. Removal of Boron and Arsenic by forward osmosis membrane：influence of membrane orientation and organic fouling[J]. Journal of Membrane Science，2012，389：182-187.

[15]Zhao S F，Zou L D，Mulcahy D. Effects of membrane orientation on process performance in forward osmosis applications[J]. Journal of Membrane Science，2011，382（1/2）：308-315.

[16]劉志強(qiáng)，李 慧，程一橋，等. 正滲透膜分離技術(shù)處理生活污水的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水處理技術(shù)，2016，42（12）：68-71.

[17]Kong F X，Yang H W，Wang X M，et al. Rejection of nine haloacetic acids and coupled reverse draw solute permeation in forward osmosis[J]. Desalination，2014，341：1-9.

[18]Zheng Y，Huang M H，Chen L，et al. Comparison of tetracycline rejection in reclaimed water by three kinds of forward osmosis membranes[J]. Desalination，2015，359：113-122.

[19]張高旗，劉海寧，張凱松. 正滲透處理生活污水過(guò)程中的膜污染研究[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2013，33（12）：2170-2175.張 佩，于庚康，徐 敏，等. 2013年持續(xù)高溫對(duì)江蘇省水稻生產(chǎn)的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（5）：225-229.