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      正滲透膜技術原理及其應用
      發布日期:2015-01-06 15:54:46 打印
          正滲透(Forward osmosis, FO)是近年來發展起來的一種濃度驅動的新型膜分離技術,它是依靠選擇性滲透膜兩側的滲透壓差為驅動力自發實現水傳遞的膜分離過程,是目前世界膜分離領域研究的熱點之一。相對于壓力驅動的膜分離過程如微濾、超濾和反滲透技術,這一技術從過程本質上講具有許多獨特的優點,如低壓甚至無壓操作,因而能耗較低;對許多污染物幾乎完全截留,分離效果好;低膜污染特征;膜過程和設備簡單等。在許多領域,特別是在海水淡化、飲用水處理和廢水處理中表現出很好的應用前景。
          1正滲透原理
       
          正滲透也稱為滲透,是一種自然界廣泛存在的物理現象,以水為例,FO 過程中水透過選擇性半透膜從水化學位高的區域(低滲透壓側) 自發地傳遞到水化學位低的區域(高滲透壓側) 的過程。圖a是正滲透的基本原理示意圖。水和鹽水兩種滲透壓不同的溶液被半透膜隔開,那么水會自發地從低滲透壓側通過半透膜擴散到高滲透壓一側,使鹽水側液位提高,直到膜兩側的液位壓差與膜兩側的滲透壓差相等(Δp = ΔΠ) 時停止。該過程的推動力是溶劑在兩種溶液中的化學位差或者是溶液的滲透壓差。
          2 正滲透技術特點
          如上所述,正滲透不同于壓力驅動膜分離過程,它不需要額外的水力壓力作為驅動力,而依靠汲取液與原料液的滲透壓差自發實現膜分離。這一過程的實現需要幾個必要條件:(1)可允許水通過而截留其他溶質分子或離子的選擇性滲透膜及膜組件;(2)提供驅動力的汲取液;(3)對稀釋后的汲取液再濃縮途徑。
          早期關于正滲透過程研究均采用反滲透復合膜,發現膜通量普遍較低,主要原因是復合膜材料的多孔支撐層產生了內濃差極化現象,大大降低了滲透過程的效率。20 世紀90 年代,Osmotek 公(HydrationTechnologies Inc.(HTI)公司前身)開發了一種支撐型高強度正滲透膜,已被應用于多種領域,是目前最好的商業化正滲透膜。
          正滲透膜技術是相對于反滲透技術而提出來的,與反滲透技術相比較,正滲透技術具有得天獨厚的優勢:獨有的驅動液體系,不需要外界的壓力推動分離過程,能耗低;
          材料本身親水,沒有外加壓力推動,可以有效防止膜污染;在脫鹽過程中,回收率高,沒有濃鹽水的排放,實現零排放,是環境友好型技術。發展到現在,正滲透技術已不僅僅限于海水淡化領域的應用,其應用范圍已經拓展至水凈化、廢水處理及食品醫藥等領域。
          本文主要探討在水處理中的應用進展。
          3 正滲透膜的應用
          3.1海水淡化
             
                                                 圖2 新型的正滲透海水脫鹽系統
       
           美國Yale 大學的Elimelech 和McCutcheon 等,利用正滲透技術對海水脫鹽進行了系統化的研究,開發了一種新型的正滲透海水脫鹽系統(如圖2 所示)。他們將整個系統分成前段和后段兩部分,前段是正滲透段,將海水中的淡水從高化學勢側“拉”到低化學勢側。該系統的驅動液是混合銨鹽溶液,這種驅動液既具有較高的滲透壓,又能方便地與水分離。后段是驅動溶液的回收段,從海水中提取出來的水將銨鹽溶液稀釋,可通過適度加熱(大約60℃),將銨鹽分解成氨和CO2 并循環使用,剩余的液體就是稀鹽水。該稀鹽水通過進一步的柱狀蒸餾或膜蒸餾(MD)即可獲得純凈水。
          3.2廢水和垃圾滲出液的處理
          Cornelissen 等將正滲透技術引入MBR,將活性污泥處理和FO 膜分離以及RO 后處理結合起來,稱為滲透膜生物反應器(OsMBR)。OsMBR 利用正滲透過程的抗污染性能,使用FO 膜取代微濾/超濾膜進行污染物的分離,水透過膜稀釋驅動溶液,稀釋的驅動溶液通過RO 單元進行濃縮并循環使用。該技術克服了MBR技術膜材料易污染以及能耗高的缺點,但是目前的正滲透膜還遠沒有達到工業要求,因此,今后對正滲透膜技術的研究熱點之一將是研制高質量的正滲透膜。
          3.3 水袋
          美國的HTI 公司開發出了可在戰爭或緊急救援情況下使用的水凈化設備,稱為水袋(hydrationbag),是目前正滲透膜技術少有的幾種商業化產品之一。以產品之一X-Pack為例,其構造為雙層袋狀結構,內層為選擇透過性的膜,外層為防水材料將內層膜包裹保護,并作為裝水的容器。內層膜裝入可飲用的驅動溶液(糖類或濃縮飲料)
      和滲透加速劑,將源水裝入內層與外層的夾層中,潔凈的水就可以透過內層膜稀釋驅動溶液供人們飲用。
          3.4濃鹽水再濃縮
          正滲透過程具有抗污染、高回收率的特點,通過選擇合適的驅動溶液,可進行濃鹽水的再濃縮,甚至使鹽析出,減少排放。理想的正滲透脫鹽過程目標是實現零液體排放,這點對于在內陸地區建設脫鹽工程尤為重要。

          3.5航天工業中的應用
          NASA 和Osmotek 設計出了中試規模的FO 系統,稱為DOC 系統。NASA 的DOC 系統包含反滲透和兩個預處理系統。第一個子系統只使用FO 過程,主要用來截留離子和污染物(如表面活性劑);第二個子系統使用正滲透(FO)和滲透蒸餾(OD)的結合過程,主要用于脫除尿素。
          4 正滲透技術的展望
          目前,正滲透技術的應用大多還處于實驗室階段,距離工業化應用和代替反滲透成為主流的水處理技術還有一段很長的路程。今后對于正滲透膜技術的研究將在以下幾個方面開展:1、對正滲透膜材料合成的研究,研制高質量的膜材料。2、驅動液的研究,尋找經濟、高效的驅動液。3、正滲透膜污染的研究,探究濃差極化現象以及各種因素對膜材料的污染問題。4、正滲透在實際應用中的研究,使正滲透膜技術發揮現實價值。
          總之,對正滲透的研究,都將圍繞如何提高正滲透過程的水回收率、如何提高正滲透過程中的分離效率、以及如何降低正滲透過程的運行成本等方面進行。由于正滲透過程本身存在著能耗低、分離過程簡單等諸多潛在優勢,隨著研究的深入,它必將在今后得到更加廣泛的應用。

       

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