基于FDFO的反滲透濃水處理試驗(yàn)

劉 娟，田軍倉，李 明

基于FDFO的反滲透濃水處理試驗(yàn)

劉 娟1,2,3，田軍倉1,2,3※，李 明4

（1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用工程研究中心，銀川 750021；4. 寧夏大學(xué)基建處，銀川 750021）

針對目前反滲透、膜蒸餾等眾多高能耗的苦咸水淡化技術(shù)，該研究采用無需加壓無需再生的肥料汲取液正滲透技術(shù)對苦咸水進(jìn)行處理。對KCl、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、（NH4）2SO4、NH4Cl進(jìn)行肥料汲取液正滲透（Fertilizer Draw Forward Osmosis，F(xiàn)DFO）單因素試驗(yàn)，通過改變汲取液種類、濃度、溫度及原料液濃度，分析正滲透過程的正向水通量和反向鹽通量的影響因素。結(jié)果表明汲取液種類不同，其正向水通量和反向鹽通量差別較大，6種汲取液的正向水通量從大到小依次為KCl、NH4Cl、NaNO3、NH4HCO3、(NH4)2SO4、KNO3，反向鹽通量為NaNO3、NH4HCO3、KNO3、KCl、NH4Cl、(NH4)2SO4。KCl、NH4Cl的正向水通量最大，反向鹽通量較小，因此優(yōu)先選用KCl和NH4Cl作為肥料汲取液。改變KCl汲取液的濃度和溫度進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明，2 mol/L的KCl汲取液其正向水通量是0.5 mol/L的3.56倍，55 ℃條件下的KCl汲取液其正向水通量大約是25 ℃條件下正向水通量的2倍，因此隨著汲取液濃度的增加和溫度的升高，正向水通量增加。改變NaNO3汲取液的濃度和溫度進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明，汲取液濃度從0.5 mol/L增大到2 mol/L，反向鹽通量增大了2.94倍，汲取液溫度從25 ℃上升到55 ℃，反向鹽通量增大了1.64倍，因此隨著汲取液濃度的增加和溫度的升高，反向鹽通量增加。

肥料；滲透；廢水；肥料汲取液；反滲透濃水；苦咸水淡化；FDFO

0 引 言

隨著水資源短缺越來越嚴(yán)重，開發(fā)利用海水/苦咸水成為解決水資源緊缺的重要手段之一。在眾多的海水/苦咸水淡化技術(shù)中，反滲透（Reverse Osmosis，RO）技術(shù)是最先進(jìn)有效、裝機(jī)容量最大的膜分離技術(shù)，然而反滲透濃水的處理成為目前海水/苦咸水淡化面臨的難題[1-2]。正滲透（Forward Osmosis，F(xiàn)O）是一種膜分離過程，它利用膜兩側(cè)不同溶液的濃度差而形成的滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)力，使低滲透壓溶液（原料液）中的水通過正滲透膜進(jìn)入高滲透壓側(cè)（汲取液），而溶質(zhì)分子被截留在低滲透壓溶液中的過程[3]。只要選擇一種汲取液，使其滲透壓高于RO濃水，正滲透膜就會(huì)在無壓條件下自發(fā)地將RO濃水中的水分汲取過來，使RO濃水進(jìn)一步濃縮[4]。然而，在正滲透過程中，原料液不斷被濃縮，汲取液不斷被稀釋，如需獲得純水，則要從汲取液中進(jìn)一步提取，使汲取液再生，這一過程使正滲透總能耗高于其他淡化技術(shù)，如納濾（Nanofiltration，NF）[5]、反滲透（Reverse Osmosis，RO）[6]或膜蒸餾（Membrane Distillation，MD）[7]。為了降低正滲透汲取液再生過程中產(chǎn)生的能耗，Xie等[8-11]提出了一種使用肥料溶液作為汲取液的肥料汲取液正滲透（Fertilizer Draw Forward Osmosis，F(xiàn)DFO）工藝。在FDFO過程中，不斷被稀釋的肥料汲取液可直接用于灌溉，無需再生，從而大大降低了系統(tǒng)能耗。

近年來，肥料汲取液正滲透（FDFO）受到越來越多的關(guān)注。Phuntsho等[12]選擇了11種肥料作為汲取液，選擇去離子水和苦咸水兩種溶液作為原料液，進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)KCl作為汲取液、去離子水作為原料液時(shí)，正向水通量最高為2.57 kg/(m2·h)；當(dāng)KCl作為汲取液、苦咸水（5 g/L的NaCl）作為原料液時(shí)，正向水通量為2.31 kg/(m2·h)，說明原料液濃度對膜通量的影響不大。Kim等[13]選用6種肥料作為汲取液，利用正滲透系統(tǒng)對城市污水進(jìn)行處理，結(jié)果表明被稀釋后的肥料汲取液可用于溫室水培灌溉。Chekli等[14]選用9種不同的肥料汲取液對廢水進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，最終篩選出磷酸二氫銨，硫酸銨和磷酸一鉀作為灌溉用肥料汲取液。Zou等[15]利用3種商業(yè)復(fù)合肥作為肥料汲取液，對廢水進(jìn)行正滲透處理，結(jié)果表明商業(yè)復(fù)合肥作為正滲透肥料汲取液處理廢水是可行的。柳盼[16]采用8種肥料汲取液分別與NH4HCO3組成8種混合液作為FO過程的汲取液，利用TFC正滲透膜處理去離子水和苦咸水，結(jié)果表明NH4Cl與NH4HCO3組成的混合肥料汲取液無論處理純水，還是處理苦咸水，正向水通量均為最高。冉美惠等[17]采用4種化肥溶液作為肥料汲取液，利用CTA正滲透膜對重金屬鎘溶液進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明磷酸二氫鉀作為汲取液的正向滲透量較高、反向鹽通量較小。

通過以上文獻(xiàn)分析可知，利用FDFO對RO濃水進(jìn)行濃縮，一方面可以降低RO濃水對環(huán)境的影響，另一方面正滲透過程中所使用的肥料汲取液被稀釋到一定程度后可用作肥料來使用，因此利用FDFO處理海水/苦咸水及RO濃水是可行的。目前對FDFO的研究主要集中在篩選膜通量較大的汲取液。而對正滲透過程中的正向水通量和反向鹽通量的影響因素研究鮮見報(bào)道。本文主要通過單因素對比正滲透試驗(yàn)分析正向水通量和反向鹽通量的影響因素。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及其運(yùn)行原理

1.1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用的裝置為試制的小型正滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括正滲透膜片、膜組件、待處理料液桶、汲取液桶、電子天平、循環(huán)水泵及流量計(jì)、壓力表、框架和管路等，如圖1所示。正滲透膜片為美國FTS公司生產(chǎn)的規(guī)格為30 cm×30 cm的CTA膜。2塊膜組件為30 cm×30 cm的PMMA支撐板，每塊板的兩側(cè)都有2個(gè)15 mm×15 mm×240 mm的水槽，一個(gè)是進(jìn)水槽，一個(gè)是回水槽，其開口與管道相接。與水槽垂直方向上，每間隔30 mm都有一個(gè)2 mm×2 mm導(dǎo)流槽，使水流從進(jìn)水槽流向回水槽。2塊支撐板中間夾有膜片，其有效尺寸為24 cm×24 cm，即有效膜面積為576 cm2，膜片將支撐板分成了原料液側(cè)和汲取液側(cè)2部分。待處理料液桶為6 L的不銹鋼方形桶，汲取液料罐為15 L的不銹鋼圓桶，循環(huán)泵流量為16 L/min。

1.1.2 試驗(yàn)原理及流程

如圖2所示，正滲透原料液側(cè)水分子與原料液側(cè)膜表面接觸，并在膜表面吸附溶解，在水勢差的推動(dòng)下擴(kuò)散并透過膜，到達(dá)膜的汲取液側(cè)，原料液側(cè)水分子的通過量即為正向水通量；汲取液側(cè)溶質(zhì)分子與汲取液側(cè)膜表面接觸，并在膜表面吸附溶解，在濃度差的推動(dòng)下擴(kuò)散并透過膜，到達(dá)膜的原料液側(cè)，汲取液側(cè)溶質(zhì)分子的通過量即為反向鹽通量。

根據(jù)試驗(yàn)原理，如圖3所示，原料液桶中的RO濃水由循環(huán)泵送入到膜組件的原料液側(cè)，汲取液桶中的肥料汲取液由循環(huán)泵送入到膜組件的汲取液側(cè)，原料液中的淡水透過正滲透膜進(jìn)入到汲取液側(cè)，原料液質(zhì)量減小，汲取液質(zhì)量增加，一定時(shí)間內(nèi)原料液質(zhì)量的減少量即為膜的滲透通量。在試驗(yàn)過程中，為了研究溫度對膜通量的影響，在原料液桶中放入加熱裝置，以提高原料液的溫度，增加膜的滲透通量，通過測試不同溫度下的膜通量，分析溫度對膜通量的影響。

由于原料液中含有大量的Ca2+、Mg2+以及SO2-，為了防止在正滲透過程中形成膜污染，RO濃水在進(jìn)入原料液桶之前，先利用納濾膜進(jìn)行預(yù)處理。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 原料液的制備

本試驗(yàn)采用的原料液為2種，一種為去離子水，主要用于反向鹽通量的試驗(yàn)；另一種為試驗(yàn)點(diǎn)溫室中用于滴灌的微咸水反滲透淡化系統(tǒng)產(chǎn)生的濃鹽水，主要用于正向水通量的試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)地下微咸水及反滲透濃水成分見表1。

如表1所示，試驗(yàn)用RO濃水礦化度達(dá)到7.14 g/L，其中Na+的含量最高，占陽離子的比例為87.02%，其次是Ca2+和Mg2+，這2種離子的含量相對較小。

1.2.2 肥料汲取液的選擇

目前常用的肥料主要有氮肥、磷肥和鉀肥。其中常見的鉀肥主要有硝酸鉀、氯化鉀和硫酸鉀等，常見的氮肥主要有氨態(tài)的碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨、硝酸銨及氮態(tài)的硝酸鈉、硝酸鈣等，磷肥主要有過磷酸鈣、重過磷酸鈣和磷酸銨等。經(jīng)過篩選初步選定了6種單一肥料進(jìn)行試驗(yàn)，表2給出了與所有肥料相對應(yīng)的化學(xué)試劑的詳細(xì)信息。使用OLI Stream Analyzer 3.2（OLI Systems Inc.，Morris Plains，NJ，USA）對肥料汲取液的滲透壓進(jìn)行計(jì)算。濃度為0.5 mol/L和2 mol/L的各種肥料汲取液滲透壓列于表2中。

表1 正滲透原料液離子含量表

表2 正滲透肥料汲取液物理特性

如表2所示，肥料汲取液的滲透壓是在25 ℃條件下濃度為0.5和2 mol/L的肥料汲取液滲透壓。在選定的肥料中，(NH4)2SO4在2 mol/L濃度下的滲透壓最高，其次是KCl和NH4Cl。而KNO3的溶解度和滲透壓最低。

1.3 試驗(yàn)方法及方案

1.3.1 正向水通量的影響因素試驗(yàn)

以RO濃水作為原料液，分別采用2 mol/L的KCl、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、（NH4）2SO4、NH4Cl作為汲取液，進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，分析不同汲取液種類對膜的正向水通量的影響。分別采用0.5、1、2、4 mol/L的KCl溶液作為汲取液，進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，分析汲取液濃度對膜的正向水通量的影響。采用2 mol/L的KCl溶液作為汲取液，分別在常溫（25 ℃）、40 ℃和55 ℃的條件下，進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，分析溫度對膜的正向水通量的影響。采用2 mol/L的KCl溶液做為汲取液，分別以去離子水、RO濃水作為原料液，在常溫條件下進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，分析原料液濃度對膜的正向水通量的影響。

1.3.2 反向鹽通量的影響因素試驗(yàn)

以去離子水作為原料液，以2 mol/L的KCl、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、（NH4）2SO4、NH4Cl溶液作為汲取液，進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，分析不同汲取液種類對膜的反向鹽通量的影響。分別用0.5和2 mol/L的NaNO3溶液作為汲取液，進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，分析汲取液濃度對膜的反向鹽通量的影響。以2 mol/L的NaNO3溶液作為汲取液，分別在常溫和40 ℃的條件下，進(jìn)行正滲透試驗(yàn)，分析溫度對膜的反向鹽通量的影響。

1.4 試驗(yàn)步驟

1.4.1 試驗(yàn)測試

將5 L的原料液（RO濃水或去離子水）裝入待處理料液料桶中，5 L配好的肥料汲取液裝入汲取液料桶中，將電子天平放置在原料液桶下，用于測試原料液的質(zhì)量。用電導(dǎo)率儀分別對原料液和汲取液的電導(dǎo)率和TDS進(jìn)行測試，每隔1 h記錄1次數(shù)據(jù)，每種汲取液測試6 h，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4.2 正向水通量的計(jì)算

通過試驗(yàn)測試出不同時(shí)刻原料液的質(zhì)量，然后通過公式（1）～（2）計(jì)算出正向水通量和反向鹽通量[10]。

式中J為正向水通量，kg/(m2·h)；為有效膜面積；1為1時(shí)間原料液的質(zhì)量，kg；2為2時(shí)間原料液的質(zhì)量，kg；1為記錄起始時(shí)間，h；2為記錄結(jié)束時(shí)間，h。

式中J為反向鹽通量，g/(m2·h)；1為1時(shí)間原料液的體積，L；2為2時(shí)間原料液的體積，L；TDS1為1時(shí)間原料液的溶解性總固體，g/L；TDS2為2時(shí)間原料液的溶解性總固體，g/L。

1.4.3 數(shù)據(jù)計(jì)算及分析方法

利用EXCEL對所有測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用DPS軟性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后利用Origin Pro 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 正向水通量的影響因素試驗(yàn)

2.1.1 不同汲取液對正向水通量的影響

本試驗(yàn)采用5 L的RO濃水作為原料液，5 L的2 mol/L的KCl、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、（NH4）2SO4、NH4Cl溶液作為汲取液，在25 ℃條件下分別對RO濃水進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。

如圖4所示，6種汲取液的正向水通量從大到小依次為KCl、NH4Cl、NaNO3、NH4HCO3、（NH4）2SO4、KNO3。從這6種汲取液的性質(zhì)（表2）來看，2 mol/L的KNO3的滲透壓最小，分子量較大，其水通量最小。（NH4）2SO4滲透壓最大，但其水通量不是最大，這是因?yàn)椋∟H4）2SO4的分子量最大，在相同摩爾濃度條件下，分子量越大，溶液中溶質(zhì)的微粒越少，對水的吸引力也就越小，因此分子量越大的，水通量越小。在KCl、NH4Cl、NaNO3、NH4HCO3中，滲透壓從大到小，為KCl、NH4Cl、NH4HCO3、NaNO3，但由于NH4HCO3易揮發(fā)出NH3和CO2，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，水通量下降較為嚴(yán)重，且NH4HCO3與NaNO3的滲透壓相差非常小，因此試驗(yàn)結(jié)果表明其水通量的大小為KCl>NH4Cl>NaNO3>NH4HCO3。由此說明不同種類汲取液滲透壓越大，正向水通量越大，當(dāng)滲透壓相近時(shí)，分子量越大，水通量越小[18]。

從圖4還可以看出，6種汲取液隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，汲取液不斷被稀釋，相應(yīng)的水通量呈直線下降，在單位時(shí)間內(nèi)降低的值幾乎相等，說明正向水通量與汲取液的濃度成線性關(guān)系。

2.1.2 汲取液濃度對正向水通量的影響

本試驗(yàn)采用5 L的RO濃水作為原料液，5 L的0.5、1、2、4 mol/L的KCl溶液作為汲取液，在25 ℃下分別對RO濃水進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。

如圖5a所示，隨著KCl汲取液濃度的增大，正向水通量逐漸增大，正向水通量與濃度成線性關(guān)系。如圖3b所示，4、2、1 mol/L的KCl汲取液，其水通量分別是0.5 mol/L的3.56、2.21、1.43倍，但濃度卻是0.5 mol/L的8、4和2倍。由此可見，膜通量增大的倍數(shù)小于濃度增加的倍數(shù)。從滲透壓的公式來看[19-21]，滲透壓與溶液的摩爾濃度成正比，在原料液濃度不變的條件下，汲取液的摩爾濃度越大，與原料液的濃度差越大，滲透壓差越大，驅(qū)動(dòng)力也就越大。但受原料液濃度的影響，汲取液與原料液的濃度差不會(huì)隨著汲取液增大的倍數(shù)而形成相同倍數(shù)的滲透壓差。

如圖5b所示，4 mol/L的KCl汲取液，其水通量最大，因此被稀釋地最快，水通量下降也最快，而0.5 mol/L的KCl汲取液，其水通量下降較為平穩(wěn)。同樣運(yùn)行了5個(gè)小時(shí)，4、2、1和0.5 mol/L的KCl汲取液對原料液濃縮倍數(shù)分別近似為4.5、2、1.5、1.25倍。通過試驗(yàn)測試，將原料液濃縮相同的倍數(shù)4倍，則4、2、1和0.5 mol/L的KCl汲取液的運(yùn)行時(shí)間分別近似為5、10、16、23 h，由此說明濃度越大，處理相同體積的水所用的時(shí)間越短。

2.1.3 溫度對正向水通量的影響

本試驗(yàn)采用5 L的RO濃水作為原料液，5 L 2 mol/L的KCl溶液作為汲取液，分別在25、40、55 ℃條件下對RO濃水進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。

如圖6a所示，25 ℃條件下的正向水通量為8.14 kg/(m2·h)，55 ℃條件下的正向水通量為16.06 kg/(m2·h)，55 ℃條件下的正向水通量大約是25 ℃條件下正向水通量的2倍，說明隨著溫度的升高，水通量逐漸增大，且水通量與溫度的關(guān)系成線性關(guān)系。這是因?yàn)槿芤旱臐B透壓與溫度成正比，隨著溫度的升高，滲透壓不斷增大，使得正向水通量增大[20]。如圖6b所示，在55 ℃條件下，將5 L原料液濃縮至4倍濃度，所用時(shí)間為4 h，在40 ℃條件下，將原料液濃縮到相同倍數(shù)，所用的時(shí)間為7 h，而25 ℃條件下則需10 h。因此在膜允許的溫度條件下，提高溫度，可提高滲透效率，增大正向水通量，縮短對RO濃水的濃縮時(shí)間，但其能耗也會(huì)增加，因此為了降低能耗，可與低溫太陽能集熱系統(tǒng)相結(jié)合，形成低溫太陽能正滲透系統(tǒng)。

2.1.4 原料液濃度對正向水通量的影響

本試驗(yàn)分別采用5 L的RO濃水和去離子水作為原料液，5 L的2 mol/L的KCl溶液作為汲取液，在25 ℃條件下進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。

如圖7a所示，去離子水作為原料液的正向水通量為8.78 kg/(m2·h)，而RO濃水作為原料液的正向水通量為8.14 kg/(m2·h)，這是由于KCl溶液與去離子水的滲透壓差大于KCl溶液與RO濃水的滲透壓差造成的。去離子水的礦化度為0，滲透壓也為0。RO濃水的礦化度為7.14 g/L，由于RO濃水的成分復(fù)雜，無法直接計(jì)算其滲透壓，其主要成分為NaCl，如果按NaCl計(jì)算，其滲透壓為0.605 MPa[21]。而汲取液KCl的濃度為150.1g/L（2 mol/L），其滲透壓為9.05 MPa，KCl與去離子水的滲透壓差為9.05 MPa，KCl與RO濃水的滲透壓差為8.445 MPa，因此汲取液與去離子水的滲透壓差要大于汲取液與RO濃水的滲透壓差。但由于兩種原料液與汲取液的滲透壓差相差不大，所以水通量相差也不大。

如圖7b所示，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，去離子水與RO濃水的正向水通量差逐漸增大，起始通量差為0.64 kg/(m2·h)，運(yùn)行6h后變?yōu)?.31 kg/(m2·h)，這是因?yàn)镽O濃水作為原料液不斷被濃縮，汲取液不斷被稀釋，使得原料液與汲取液之間的濃度差逐漸減小，從而滲透壓差逐漸減小，使得膜通量減小。同時(shí)RO濃水在原料液側(cè)膜表面會(huì)產(chǎn)生濃縮性外部濃差極化[22-24]。而去離子水作為原料液，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長體積不斷減小，但濃度不會(huì)發(fā)生變化，只有汲取液不斷被稀釋。因此隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，RO濃水與汲取液之間的滲透壓差減小的速率大于去離子水與汲取液之間的滲透壓差，由此說明原料液的濃度越高，正向水通量越小，由于去離子水做原料液與RO濃水相比，正向水通量只增大了7個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 反向鹽通量的影響因素試驗(yàn)

2.2.1 不同汲取液對反向鹽通量的影響

本試驗(yàn)采用5 L去離子水為原料液，5 L的2 mol/L的KCl、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、（NH4）2SO4、NH4Cl溶液作為汲取液，在25 ℃條件下進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。

如圖8所示，汲取液的反向鹽通量隨運(yùn)行時(shí)間呈下降趨勢，這是因?yàn)榧橙∫翰粩啾幌♂專瑵舛戎饾u下降，因此反向鹽通量也在下降。除了NH4Cl和KCl，NaNO3、NH4HCO3、KNO3、(NH4)2SO4反向鹽通量從大到小依次為NaNO3、NH4HCO3、KNO3、(NH4)2SO4，而其分子量從小到大依次為NH4HCO3、NaNO3、KNO3、(NH4)2SO4，由于NaNO3和NH4HCO3的分子量相差不大，而NH4HCO3極易揮發(fā)，因此NaNO3的反向鹽通量大于NH4HCO3的反向鹽通量。由此可知，分子量越小，反向鹽通量越大。又因?yàn)镹aNO3、NH4HCO3的分子量比KNO3、(NH4)2SO4的分子量小很多，相應(yīng)的NaNO3、NH4HCO3的反向鹽通量比KNO3、(NH4)2SO4的反向鹽通量大很多。

注：5 L的原料液，5 L 2 mol·L-1的汲取液，在25 ℃條件下進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。

2.2.2 汲取液濃度對反向鹽通量的影響

本試驗(yàn)采用5L的去離子水作為原料液，5 L的0.、1、2 mol/L的NaNO3溶液作為汲取液，在25 ℃條件下進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。

如圖9a所示，汲取液濃度從0.5 mol/L增大到2 mol/L，反向鹽通量從11.54 g/(m2·h)增大到33.95 g/(m2·h)，汲取液濃度增大了4倍，反向鹽通量增大了2.94倍，說明汲取液濃度越大，其反向鹽通量也越大。如果通過正滲透對原料液僅僅是濃縮處理，反向鹽通量只會(huì)影響正向水通量的大小，如果處理的原料液還有其他用途，那么可能會(huì)對原料液造成污染[25-26]。

如圖9b所示，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，濃度大的汲取液的反向鹽通量下降較快，這是因?yàn)榍捌谡蛩枯^大，汲取液的稀釋速度較快，隨著汲取液不斷被稀釋，汲取液中離子濃度逐漸減小，使得反向鹽通量逐漸減小。

2.2.3 溫度對反向鹽通量的影響

本試驗(yàn)采用5 L的去離子水作為原料液，5 L的2 mol/L的NaNO3溶液作為汲取液，在25、40和55 ℃的條件下進(jìn)行正滲透試驗(yàn)。

如圖10a所示，汲取液溫度從25 ℃上升到55 ℃，其起始反向鹽通量從32.97 g/(m2·h)增大到54.11 g/(m2·h)，反向鹽通量增大了1.64倍，說明汲取液溫度越高，其起始反向鹽通量越大。如圖10b所示，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，溫度高的汲取液其反向鹽通量下降較快。這是由于汲取液溫度越高，其正向水通量越大，汲取液被稀釋的速度越快，汲取液的濃度下降就越快，其反向鹽通量下降也就越快。常溫下的汲取液，正向水通量相對較小，其反向鹽通量下降較為平緩。

3 結(jié)論與討論

1）通過KCl、KNO3、NaNO3、NH4HCO3、（NH4）2SO4、NH4Cl六種肥料汲取液的正向水通量和反向鹽通量影響因素試驗(yàn)，可知KCl和NH4Cl溶液的正向水通量最大，而反向鹽通量相對較小，比較適合做單一的肥料汲取液。剩余的幾種汲取液的正向水通量和反向鹽通量都與其分子量成反比，分子量越大，正向水通量越小，反向鹽通量也越小。NH4HCO3在常溫下會(huì)揮發(fā)出NH3和CO2，穩(wěn)定性較差，正向滲透通量下降較快。因此在選擇肥料汲取液時(shí)，建議優(yōu)先選用KCl和NH4Cl。

2）通過改變汲取液的濃度發(fā)現(xiàn)，隨著汲取液濃度的增加，正向水通量和反向鹽通量都增大。但當(dāng)汲取液濃度成倍增加時(shí)，正向水通量和反向鹽通量并不是成倍增加，正向水通量和反向鹽通量增大的倍數(shù)小于汲取液濃度增大的倍數(shù)。

3）通過改變原料液溫度發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，正向水通量和反向鹽通量逐漸增大，且正向水通量與溫度成線性關(guān)系。雖然增加溫度可提高正向水通量，但相應(yīng)的能耗也會(huì)增加，因此可與低溫太陽能集熱系統(tǒng)相結(jié)合，形成低溫太陽能正滲透系統(tǒng)。

4）通過RO濃水和去離子水作為原料液進(jìn)行正滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原料液的濃度越高，正向水通量越小。但由于去離子水做原料液與RO濃水相比，正向水通量只增大了7個(gè)百分點(diǎn)，因此利用正滲透可以處理RO濃水。

本文做了單因素對比試驗(yàn)，由于選取的汲取液種類有限，且在試驗(yàn)過程中，原料液側(cè)溶質(zhì)分子及汲取液側(cè)水分子在其膜表面堆積，造成原料液側(cè)膜表面溶質(zhì)濃度增加，汲取液側(cè)膜表面溶質(zhì)濃度降低，從而形成了濃差極化現(xiàn)象，使得正向水通量降低。同時(shí)不同的汲取液在不同的濃度條件和溫度條件下，汲取液中離子的電離數(shù)量差別很大，從而影響溶液的滲透壓。因此后期將加強(qiáng)各因素之間相互影響的試驗(yàn)，通過正滲透機(jī)理來分析各因素的影響機(jī)制。

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Experimental study on reverse osmosis concentrate treatment based on Fertilizer-Drawn Forward Osmosis

Liu Juan1,2,3, Tian Juncang1,2,3※, Li Ming4

(，750021,; 2.,750021,; 3.,750021,; 4.,n 750021,)

Reverse Osmosis (RO) is one of the most advanced and effective membrane separation treatments in desalination. Forward Osmosis (FO) is also one type of membrane separation that can spontaneously draw the water from the RO concentrated water. However, the regeneration of draw solution requires much energy in the FO system. A Fertilizer-Drawn Forward Osmosis (FDFO) process is thus selected to reduce the energy consumption for the draw solution, where the fertilizer solution was used as the draw solution. The RO concentrated water is continuously concentrated, while the fertilizer draw solution is continuously diluted in the process of FDFO. The diluted fertilizer draw solution can widely be expected for agricultural irrigation without regeneration. In this study, the influence factors of the forward water and reverse salt flux in the FO process were determined under the different types, concentrations, and temperature of the draw solution, as well as the concentration of feed solution. KCl, KNO3, NaNO3, NH4HCO3, (NH4)2SO4, and NH4Cl were selected as the draw solutions for the single factor comparison tests of FDFO. The results show that the forward water fluxes and reverse salt fluxes differed greatly with different kinds of draw solutions. The forward water fluxes of draw solutions were ranked in the order of KCl > NH4Cl > NaNO3> NH4HCO3> (NH4)2SO4> KNO3. The reverse salt flux was NaNO3> NH4HCO3> KNO3> KCl > NH4Cl > (NH4)2SO4. The forward water flux of KCl and NH4Cl was the largest, while the reverse salt flux was smaller. Therefore, KCl and NH4Cl were more suitable for a single fertilizer draw solution. A FO test was carried out under the different concentration and temperature of the KCl draw solution. The results showed that the forward water flux of the KCl draw solution at 2 mol/L was 3.56 times than that of 0.5 mol/L, and the forward water flux of KCl draw solution at 55 ℃ was about twice than that of 25 ℃. Therefore, the forward water flux increased significantly, with the increase of the concentration and temperature of the draw solution. However, there was no increase in the forward water flux and the reverse salt flux, when the concentration of draw solution increased exponentially. Additionally, the increased multiple of forwarding water and reverse salt flux was less than the draw solution concentration. Another FO test was also carried out under the various concentration and temperature of the NaNO3draw solution. The results showed that the reverse salt flux increased by 2.94 times, when the concentration of the NaNO3draw solution increased from 0.5 to 2 mol/L, while, the reverse salt flux increased by 1.64 times, when the temperature of the NaNO3draw solution increased from 25to 55 ℃. Therefore, the reverse salt flux increased, with the increase of the concentration and temperature of the draw solution. Furthermore, the temperature increased exponentially, so did the forward water flux. Since the RO concentrated and deionized water was selected as the feed solution in the FO experiment, it was found that the higher concentration of feed solution, but the smaller the forwarding water flux.

fertilizer, osmosis, waste water, fertilizer draw, RO concentrated water, Brackish water desalination, FDFO

劉娟，田軍倉，李明. 基于FDFO的反滲透濃水處理試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(16)：65-71.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.009 http://www.tcsae.org

Liu Juan, Tian Juncang, Li Ming. Experimental study on reverse osmosis concentrate treatment based on Fertilizer-Drawn Forward Osmosis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 65-71. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.009 http://www.tcsae.org

2021-03-22

2021-06-03

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2018YFC0408104）；寧夏自然科學(xué)基金（2020AAC03038）和寧夏自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019BBF02014，2020BBF02004）聯(lián)合資助

劉娟，副教授，博士，研究方向?yàn)榭嘞趟幚矸矫妗mail：nxdxlj1980@163.com

田軍倉，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論和技術(shù)、水資源高效利用和水資源工程等。Email：slxtjc@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.009

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1002-6819(2021)-16-0065-07