正滲透有機汲取液的實驗研究

摘要：確定正滲透有機汲取液的最優(yōu)組合與最佳配比，探究有機汲取液滲透性能的穩(wěn)定性與處理工藝的可行性。以乙醇、葡萄糖、聚乙二醇為基礎(chǔ)配制3種有機汲取液，對3種汲取液的水通量、反向溶質(zhì)通量、特定水通量在2種不同膜朝向下的變化情況進行考察。結(jié)果表明：性能最優(yōu)的有機汲取液為1 mol·L-1的葡萄糖溶液；有機汲取AL-DS模式下的水通量與反向溶質(zhì)通量大多大于AL-FS模式。

關(guān)鍵詞：正滲透；有機汲取液；水通量；反向溶質(zhì)通量

中圖分類號：X703文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）02-0197-03

正滲透具有無需外壓、能耗低、截留率高、膜污染低等特點，作為一種新興的水處理技術(shù)備受青睞。正滲透技術(shù)在海水淡化、食品濃縮、制藥工業(yè)、發(fā)電等領(lǐng)域中有望完全替代現(xiàn)有的反滲透技術(shù)，用于滲透性藥物輸送及藥物產(chǎn)品濃縮或富集等物料分離環(huán)節(jié)。因此，正滲透技術(shù)有著巨大的應(yīng)用潛力[1-8]。正滲透技術(shù)中汲取液產(chǎn)生的反向溶質(zhì)通量與滲透壓對膜通量和截留率的影響極大[9-10]，而這兩點恰是水處理工程中評判正滲透工藝可行性的重要指標，所以對汲取液的選擇與配比優(yōu)化極為關(guān)鍵。理想的汲取液具備水通量大、反向溶質(zhì)通量小、無毒、易回收、運行成本低等優(yōu)點。正滲透汲取液如果不再必須經(jīng)過過濾分離而直接回用，其經(jīng)濟性將會得到巨大的提升。

目前，國內(nèi)外對可直接回用汲取液的研究較少，對可直接回用有機汲取液的研究更少，PHUNTSHO 等[11]以化肥為汲取液進行正滲透海水淡化處理，并提出稀釋的汲取液可直接用于灌溉農(nóng)田，為汲取液的處理提供了一個全新的方法。由于相對分子質(zhì)量較小的汲取液比同等質(zhì)量的相對分子質(zhì)量較大的汲取液所能提供的滲透壓更大，而電離狀態(tài)下相對分子質(zhì)量較小的汲取液更易通過膜孔造成反向滲透，所以學(xué)者開始將目光轉(zhuǎn)向分子大滲透壓高的有機汲取液，以期得到性能更佳的汲取液。

有機汲取液具有結(jié)構(gòu)簡單、正滲透規(guī)律相對明朗、價廉易獲取、濃度恢復(fù)影響因素少等優(yōu)點，因此其應(yīng)用最廣泛[12]。有機汲取液的滲透壓并不隨溶解度升高而持續(xù)加大，可以通過其范式公式來推斷作為正滲透汲取液的滲透壓與溶解度的關(guān)系，一般來說相對分子質(zhì)量越大單位質(zhì)量的汲取液滲透壓越高[13]。滲透壓與正滲透過程中水通量成正向相關(guān)，但實際運行中滲透壓較大的出水量也不穩(wěn)定；大相對分子質(zhì)量汲取液有著較大的滲透壓，其反向溶質(zhì)通量卻較小[14-15]。筆者在此基礎(chǔ)上配制3種有機汲取液，優(yōu)選出性能最佳濃度配比，并對正滲透性能進行比對分析。

1實驗部分

1.1材料及儀器

采用聚酰胺涂層的復(fù)酰胺作為正滲透膜，膜親水好，有效面積為0.001 m2，pH為2～11；離子液為乙醇、葡萄糖、聚乙二醇。

主要儀器：電子天平、JJ-1精密增力磁力攪拌器、SX823便攜式雙參數(shù)pH/電導(dǎo)率儀、膜組件。

1.2實驗過程

有機汲取液以乙醇、葡萄糖、聚乙二醇為原料進行配制。由于不同膜朝向下溶質(zhì)對膜的污染程度不同，因此依照不同濃度與膜朝向設(shè)計了3組實驗。A組為1.0 mol·L-1與1.2 mol·L-1的葡萄糖，B組為無水乙醇與95%乙醇，C組為2.8 mol·L-1的聚乙二醇200與2.25 mol·L-1的聚乙二醇200。在溫度為20 ℃、流速20 cm·s-1的條件下，測定A、B、C組有機汲取液在AL-DS與AL-FS 2種膜朝向下的水通量、反向溶質(zhì)通量，并計算特定水通量。

1.3水通量和反向溶質(zhì)通量計算

水通量是評價正滲透膜性能的重要指標，指單位時間內(nèi)在單位膜面積上透過的水量。用精密天平稱量汲取液的質(zhì)量，水通量計算方法如式（1）所示。

J_w=（m_t-m_0）/A?tρ （1）

式中：JW—水通量，L·m-2·h-1或LMH；

mt、m0—t、0時刻汲取液質(zhì)量，g；

A—膜的有效面積，1×10-3 m2；

△t—2次測量時間間隔，h；

ρ—水的密度，即1 kg·m-3。

汲取過程中，汲取溶質(zhì)會通過膜反滲進原料液，這一過程稱為鹽返混，而反滲的汲取質(zhì)稱為反向溶質(zhì)，單位時間內(nèi)其在單位膜面積下的變化量稱為反向溶質(zhì)通量，計算公式如式（2）所示。其中，溶質(zhì)濃度用電導(dǎo)率儀測定溶解性固體總量表示[9]。

J_s=（C_t （V_0-J_w A?t）-C_0 V_0）/A?t（2）

式中：Js—反向溶質(zhì)通量，g·m-2·h-1或gMH；

△t—2次測量時間間隔，h；

C0、Ct—t、0時刻原料液TDS，g·L-1；

Jw——水通量，L·m-2·h-1或LMH；

A—膜的有效面積，1×10-3 m2。

2實測水通量和反向溶質(zhì)通量

在汲取液與原料溶液中，由于小分子易附著于膜孔內(nèi)，大分子易附著于膜表面上，使得膜兩邊存在較大滲透壓差，出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象，導(dǎo)致理論水通量與實際測量值不同。

根據(jù)式（1）、式（2）得到水通量與反向溶質(zhì)通量，反向溶質(zhì)通量與水通量的比值為特定水通量。汲取液的水通量如圖1所示，反向溶質(zhì)通量如圖2所示，特定水通量如圖3所示。其中，a、b組為葡萄糖，c、d組為乙醇，e、f組為聚乙二醇200，1號為AL-DS，2號為AL-FS。

由圖1至圖3可以看出，3組汲取液的水通量均超20 L·m-2·h-1；反向溶質(zhì)通量除a1外，均小于 20 g·m-2·h-1。A組葡萄糖汲取液理論水通量分別為28.66、23.94、27.68、25.64 L·m-2·h-1；B組乙醇汲取液理論水通量分別為24.18、25.64、26.24、 28.46 L·m-2·h-1；C組聚乙二醇汲取液理論水通量分別為27.24、25.02、23.52、22.90 L·m-2·h-1。理論反向溶質(zhì)通量分別為21.5、15.0、19.0、15.0、16.0、8.0、9.0、5.0、9.0、5.0、16.0、15.5 g ·m-2·h-1。A、B、C 3組的水通量實測值皆大于其理論值。a1組的反向溶質(zhì)通量實際測量值大于其理論值，其余組的反向溶質(zhì)通量實際測量值均小于其理論值。3組汲取液的特定水通量較小；A組的特定水通量遠大于B、C組特定水通量的平均值。

水通量和特定水通量分別表示出水效率和出水質(zhì)量，能更為直觀地表現(xiàn)正滲透汲取液的性質(zhì)。A組汲取液擁有較大水通量，其特定水通量也極大，超過B、C組1倍，大分子溶質(zhì)在正滲透過程中發(fā)生拮抗作用，加速離子從汲取液側(cè)往膜孔中擴散。f組雖然水通量較小，相對而言，正滲透性能不夠優(yōu)異，但是特定水通量較大，且C組的水通量實測值與理論值持平，A、B、C 3組的水通量實測值均大于理論值；A、C兩組的反向溶質(zhì)通量實測值大于理論值，B、C兩組的反向溶質(zhì)通量實測值小于理論值。A、B、C 3組汲取液中B、C兩組既具有大分子汲取液的高水通量，同時也具有大分子汲取液的低鹽反滲，性能十分優(yōu)異。因此，a1組葡萄糖汲取液效果最佳。

在水通量、特定水通量差距不大時，工程應(yīng)用時要考慮汲取液的經(jīng)濟性。以某公司的分析純試劑進行簡單對比，葡萄糖的單價為每克0.02元，乙醇為每毫升0.05元，聚乙二醇為每克0.88元，經(jīng)過計算，b2組和c2組汲取液最具經(jīng)濟性。

3結(jié) 論

最優(yōu)的有機汲取液為1 mol·L-1葡萄糖，其既表現(xiàn)出大分子有機汲取液的高水通量，同時也具有大分子汲取液的低鹽反滲，性能優(yōu)異。有機汲取液在AL-DS模式下的水通量與反向溶質(zhì)通量大于AL-FS模式下。

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Experimental Study on Organic Extraction Solution

ZHAO Yang1， LIU Xiaofan2， YU Taoming1

（1. Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110000， China;

2. Shenyang Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract： The optimal combination and ratio of organic extraction solution were determined， and the stability of permeability of organic extraction solution and the feasibility of treatment process were explored. Three organic extraction solutions were prepared from ethanol glucose， and polyethylene glycol. The water flux， reverse solute flux， and specific water flux of the three extraction solutions were measured in two different membrane directions. The results showed that the best performing organic extraction solution was 1 mol·L-1 glucose solution; the water flux and reverse solute flux in the organic extraction AL-DS mode were mostly greater than those in the AL-FS mode.

Key words： Forward osmosis; Organic extraction solution; Water flux; Reverse solute flux