正滲透混合無機(jī)鹽作汲取液處理廢水的研究進(jìn)展

摘 要： 近年來，具有低能耗、低污染、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)的正滲透技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于污水處理等方面，如何選擇高效、穩(wěn)定的汲取液是正滲透技術(shù)所要解決的核心問題。綜述了近10年正滲透工藝在處理污水中的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了不同汲取液進(jìn)行正滲透的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其影響因素，并展望了未來混合無機(jī)鹽作汲取液工藝規(guī)?；酝苿?dòng)混合無機(jī)鹽作汲取液的正滲透工藝在處理污水領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān) 鍵 詞：正滲透；汲取液；混合無機(jī)鹽；廢水處理

中圖分類號(hào)：TQ051文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（20202024）0×8-1282-03

地球上可供人類直接飲用的水資源極其寶貴。隨著人口的不斷增加和人們的生活水平不斷提升，淡水資源的需求量也在不斷增加。而工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致水資源環(huán)境受到損害，不但使水體大量污染，還加大了廢污水的處理難度[1]。因此，對(duì)高效、低成本的污廢水處理方式的研究十分必要。

正滲透技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于水污染治理領(lǐng)域的膜分離技術(shù)之一。在正滲透過程中，水被強(qiáng)制通過半透膜，由于膜的選擇性，水中的溶質(zhì)如鹽、重金屬、有機(jī)物等被剔除，從而提高水的質(zhì)量。正滲透技術(shù)具有高效、低成本、無化學(xué)添加劑[2]等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于飲用水處理、工業(yè)水處理、廢水處理等領(lǐng)域。然而，由于汲取液藥劑的選擇、配制比例等條件的不同，達(dá)到的正滲透效果也不同[3]。對(duì)混合無機(jī)鹽的選擇和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)，為該技術(shù)在未來的污水處理中的應(yīng)用提供參考。

1 正滲透技術(shù)研究現(xiàn)狀

一個(gè)完整的正滲透過程是由原料液、正滲透膜、汲取液3部分所組成。原料液和汲取液分別被放置在由半透膜隔開的容器兩側(cè)，原料液區(qū)域具有較高的水化學(xué)勢(shì)能[4]（低滲透壓），汲取液區(qū)域具有較低的水化學(xué)勢(shì)能（高滲透壓）。在無外界壓力存在時(shí)，由滲透壓差提供驅(qū)動(dòng)力使原料液中的水自發(fā)地流向汲取液中，使原料液逐漸濃縮，汲取液逐漸稀釋，直至原料液和汲取液具有相同的水化學(xué)勢(shì)能（滲透壓）才停止正滲透過程。正滲透過程結(jié)束后可以通過加熱法、電磁法、反滲透法、納濾法[5]將汲取液進(jìn)行重濃縮。因此選擇高滲透壓、低反向滲透、穩(wěn)定無毒、重濃縮方便且不需要較高能耗的新型汲取液至關(guān)重要。

1.1 正滲透膜

正滲透膜是正滲透過程的核心成分之一，膜的材質(zhì)和構(gòu)成決定了整個(gè)正滲透裝置運(yùn)行的結(jié)果。cORB3ZLk56WjBGjVsch/DbxdIj4jdK0r1Nf0a8J+tKw=理想的正滲透膜具有親水性好的功能層、支撐性好的支撐層和高水通量、高截留率的特點(diǎn)，同時(shí)還要化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、成本低廉、應(yīng)用范圍廣等特征。正滲透在許多應(yīng)用中顯示出其優(yōu)勢(shì)，然而溶質(zhì)的反向擴(kuò)散、濃差極化、膜污染等問題不能避免。在早期，人們直接將反滲透膜作為正滲透過程中的正滲透膜使用，導(dǎo)致正滲透過程水通量極低。近年來，隨著正滲透膜的制造工藝不斷增加和完善，越來越多的高性能膜被制造出來，目前主流的正滲透膜有乙酸纖維素（CA）類FO膜、聚酰胺薄膜復(fù)合（TFC）膜[6]和水通道蛋白膜等。

1.2 汲取液

汲取液在正滲透過程中起到的作用至關(guān)重要，汲取液的理化性質(zhì)包括溶質(zhì)的溶解度、溶質(zhì)的分子質(zhì)量、黏度和溶質(zhì)反向滲透性，它們直接影響著正滲透處理的效果。常見的汲取液有無機(jī)汲取液、有機(jī)汲取液，還有其他類型的汲取液，如以水凝膠復(fù)合物[7]作汲取液、以離子液體作汲取液等。有機(jī)汲取液由于分子質(zhì)量較大，不容易產(chǎn)生反向滲透現(xiàn)象，但相比無機(jī)汲取液滲透壓較小。水凝膠汲取液是一種新型半固體汲取液，ZENG[8]等[8]加入少量的還原氧化石墨烯，改善水凝膠的性能，提高正滲透的水通量。無機(jī)鹽汲取液適用范圍廣泛，具有較高的滲透壓、較低的成本、容易制備、安全無毒等特點(diǎn)，還不會(huì)與膜發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，研究起來相對(duì)簡(jiǎn)單，后續(xù)還可以通過重濃縮繼續(xù)回收使用一部分藥品，因此汲取液中最常見的就是無機(jī)鹽汲取液。

2 混合無機(jī)汲取液

無機(jī)鹽溶液中多以Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Al3+的氯化物、碳酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽[9]等組成。分子質(zhì)量小的無機(jī)鹽具有較高的滲透壓和水通量，但存在著非常嚴(yán)重的反向滲透現(xiàn)象。為了降低反向溶質(zhì)通量而同樣擁有較高水通量，人們把單一的無機(jī)鹽溶液混合，去篩選和優(yōu)化更加適合各類型污水處理的混合無機(jī)汲取液。不同的汲取液中配比不同，所產(chǎn)生的效果也不同。HAMDAN等[10]通過滲透壓計(jì)算得出NaCl與MgCl2混合溶液具有較高的滲透壓。LIU等[11]探究碳酸氫銨混合溶液，選取NH4Cl、 KCl、NaCl、（NH4）2HPO4與NH4HCO3相混合作為汲取液，以去離子水為原料液進(jìn)行5 h的正滲透實(shí)驗(yàn)用來測(cè)量水通量和汲取液性能。

3 混合無機(jī)汲取液應(yīng)用范圍

3.1 海水淡化

當(dāng)前中國(guó)淡水資源分布不均，人均可用水資源極少[12]。海洋約占地球表面積的71%，海水不能夠直接用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉和飲用。海水淡化是正滲透處理技術(shù)的熱門領(lǐng)域，正滲透相比多級(jí)閃蒸、反滲透等技術(shù)用于海水淡化，具有能耗低、膜污染小、水回收率高的特點(diǎn)，更適合對(duì)海水進(jìn)行處理。AHMED[13]研究利用具有高滲透壓的NH3-CO2作汲取液進(jìn)行海水淡化的FO工藝的可行性和效率的脫鹽效果。WANG等[14]通過FO對(duì)海水進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為FO海水淡化的成功密切依賴于是否擁有更好的汲取液。簡(jiǎn)單溶解的無機(jī)鹽和加熱后溶解的鹽仍然是最廣泛使用和最有效的溶質(zhì)[15]，汲取液應(yīng)具有低分子質(zhì)量和較高滲透壓?；旌蠠o機(jī)鹽作汲取液成為海水淡化未來發(fā)展方向。

3.2 重金屬廢水處理

重金屬廢水一般來自電鍍、冶金、化工等行業(yè)。工業(yè)廢水中包含著大量的重金屬離子，如鋅、銅、鎳、錫、鉛等[16]。自然情況下，重金屬不能被降解，重金屬廢水排入水體對(duì)自然和環(huán)境造成損害。梁異璞[17]使用4種無機(jī)鹽分別組合成多種二元無機(jī)汲取液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究溫度、流速、膜朝向?qū)φ凉B透效果的影響，分析混合無機(jī)汲取液中各溶質(zhì)所占最佳比值，最終確定以質(zhì)量比為1∶2的MgCl2+NaCl作為汲取液去除含Zn2+、Ni2+重金屬廢水，結(jié)果表明混合無機(jī)鹽汲取液處理重金屬廢水是可行的。

3.3 城市污水

城市污水中普遍含有較高的COD、BOD、大量的懸浮物[18]和較高的氮素、磷含量。為了提高深度處理工藝的應(yīng)用水平，張淮巽等[19]通過實(shí)驗(yàn)研究不同濃度配比的混合無機(jī)鹽汲取液對(duì)較低COD的南方城市污水的處理情況，選用總濃度比為3∶1、 2∶1、 1∶1、 2∶3、 1∶2、 1∶3 的NaCl和MgCl2混合汲取液，結(jié)果表明選擇濃度比為2∶3的MgCl2、NaCl混合溶液可以獲得較高的水通量和很高的COD、氨氮、總磷的去除率和截留率。混合無機(jī)汲取液相比傳統(tǒng)無機(jī)汲取液具有更高的滲透壓和更小的反向溶質(zhì)通量，對(duì)正滲透膜也更加友好。

3.3 4煤化工廢水

煤化工廢水主要的污染物是氨和酚[20]，此外還有COD、焦油、氰化物等污染物質(zhì)。王波等[21]利用NaCl、MgCl2、NH4HCO3分別對(duì)煤化工廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在無外界熱量條件下，NaCl相較于MgCl2、NH4HCO3溶液更具有較高的水通量和更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間；在有外界熱量條件下NH4HCO3相較于NaCl、MgCl2溶液具有更高的水通量和較低的反向溶質(zhì)通量。如若使用混合無機(jī)鹽汲取液將獲得比傳統(tǒng)單鹽作汲取液更高的水通量和更低反向溶質(zhì)通量，汲取液溶質(zhì)更加方便進(jìn)行重濃縮。

3.3 5食品加工

糖類加工是食品工業(yè)中最耗能的工藝之一。正滲透與反滲透等需要壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離相比，正滲透導(dǎo)致排異反應(yīng)增加，膜污染減少，耗能低，水通過選擇性半透膜進(jìn)入到汲取液中，因此被用于許多產(chǎn)品的濃縮和回收，如蘋果汁、番茄汁等。液態(tài)食品的熱濃縮營(yíng)養(yǎng)損失極大，趙淑真[22]通過正滲透避免了傳統(tǒng)濃縮對(duì)熱敏性活性喪失的缺點(diǎn)，將營(yíng)養(yǎng)豐富的蘋果濁汁濃縮。通過增加汲取液的濃度，水通量得到增加，但加劇了反向溶質(zhì)通量。AKHTAR等以甘蔗汁為原料、氯化鈉與其他鹽溶液為汲取液對(duì)甘蔗汁進(jìn)行濃縮，結(jié)果驗(yàn)證了正滲透混合無機(jī)汲取液在液態(tài)食品濃縮領(lǐng)域應(yīng)用的可行性[23]。

4 結(jié)束語

正滲透技術(shù)在海水淡化、廢水處理、食品加工等領(lǐng)域具備極大的潛在優(yōu)勢(shì)，其價(jià)值也逐漸被越來越多的人所關(guān)注。正滲透作為新興技術(shù)其低能耗、能夠在常溫進(jìn)行并可能實(shí)現(xiàn)更高的濃度屬性是該技術(shù)特有的。目前正滲透的發(fā)展方向應(yīng)聚焦在正滲透膜的研發(fā)、汲取液的選擇、新型汲取液的濃縮方法和與更寬領(lǐng)域的聯(lián)用研究。目前關(guān)于混合無機(jī)汲取液的相關(guān)文獻(xiàn)較少，但它正是通過汲取液的改進(jìn)從而提高正滲透效果的方式之一。隨著技術(shù)的革新與發(fā)展，混合無機(jī)汲取液將會(huì)在水處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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