关于正渗透膜的研究与应用范围的探讨

关于正渗透膜的研究与应用范围的探讨
摘要：正渗透是近年来新兴的一种膜处理技术，由于其能耗低、污染低、易于操作、不需要外加压力，在海水淡化、污水处理、食品加工、医药以及绿色能源方面已经显出巨大的潜在的利用价值。

正渗透膜尤为突出的优势是其采用特殊的溶质配制汲取驱动液，可以人为控制配制高浓度的汲取液从而得到更高的渗透驱动压力，进而达到更高的水回收率。

但是在实际应用中，正渗透膜处理技术仍然处在实验探索的阶段。

正渗透亟待解决的关键问题是寻找合适的膜材料和驱动液，以及减少浓度极化对水通量的影响。

理想正渗透膜应具有高的水通量、低的盐通量和良好的机械强度从而能够保证膜长期稳定的运行。

众多研究者正在不断的探究，对此项技术进行不断的完善。

关键词：正渗透膜；污水处理；海水淡化
1.正渗透膜的研究背景及研究现状
1.1研究背景
在20世纪中后期，正渗透的概念被正式提出的。

最重要的正向渗透过程是膜的选择性渗透。

正向渗透膜一面是高渗透压萃取溶液，水分子从低渗透压一侧扩散到另一侧，从而实现水与杂质的分离，其他分子或离子被截住，该过程不需外界提供压力，所以增大驱动力在这项技术中显得十分重要，可以增加驱动力的方法就是选择合适的汲取液。

1.2国内外研究现状
目前国际上关于正渗透膜技术的研究，主要集中在膜材料和提取液解决方案上。

正渗透膜材料主要有以HTI为代表的和其他公司材料这两类。

常用的制膜材料是聚醚砜，聚酰胺，二醋酸纤维素（CA）和三醋酸纤维素（CTA）。

HTI公司生产的三醋酸纤维素膜具有高抗氯性，对热、化学、生物降解不敏感成为应用最广泛的正渗透膜。

汲取液的选择是否合适也是当前国内外研究的一个重要问题，近年来研究者们还不断推出新型汲取液，如水凝胶型汲取液和离子液体型汲取液等。

磁性或亲水性纳米颗粒的优势在于其再生成本较低，不存在反向扩散现象。

为了解决在较低能量下易与纯水分离的问题，可以让水凝胶做提取液。

正渗透过程结束后，在汲取液中添加辅助物质、沉淀剂从而得到纯净水。

2.正渗透膜的应用范围
正渗透过程不需要机械压力，同时有膜污染小等优点，目前应用于各个行业与领域，包括水处理领域中的污废水处理、海水脱盐、生命科学领域中的医药行业和食品加工行业等。

2.1废水处理
随城市发展水环境污染日益严重，水处理要求也越来越严格，正渗透膜技术处理废水得到发展，其主要应用包括废水的浓缩分离、土壤渗滤液处理、厌氧消化液的浓缩和重金属去除等。

目前可以利用微滤技术与正渗透膜生物反应器结合从而能够高效处理市政废水，高效去除氨氮以及有机碳，并且在特定条件下还能提取磷。

2.2海水淡化
如今水资源短缺十分严峻。

因此，通过正渗透膜技术增加淡水，是可以赶紧进行的。

正渗透膜技术从20世纪中后期就开始应用于海水脱盐，正渗透膜技术脱盐过程包括渗透稀释汲取液、从汲取液中制备淡水两步。

2.3食品加工
随着正渗透技术的逐渐发展，人们开始将其应用于各个行业。

正渗透膜技术因其具有低温低压的操作特性，所以在食品加工尤其是水果蔬菜汁浓缩方面应用十分广泛。

利用正渗透技术进行浓缩，既保持口感，又能够维持营养不流失。

有实验表明，正渗透技术比起蒸馏技术，可以大幅度提高花青素浓缩程度[8]。

SHALINI等人的研究证实正渗透与热蒸发过程相比，甘蔗原汁可以在18h内由250ml浓缩至99.6ml并且不失去原有的色泽和风味。

2.4医药生产
在制药生产行业中，正渗透膜技术已应用于富集产品、释放药品和精确传输。

因为一般药品分子的结构偏大并且加热后不稳定，所以利用传统的加热浓缩弊端
较大，而利用正渗透膜技术即可改善。

利用正渗透膜技术浓缩后得到的产物一般
比较稳定，不需要进一步分离或提取。

目前已有研究可将双层聚苯并咪唑、聚醚
砜/聚乙烯吡咯烷酮（PBI.PES/PVP）中空膜应用于富集医药产品。

3.正渗透膜研究之改性添加剂
共混正渗透膜的制备是通过共混改性，将固体颗粒加入铸膜液中，形成三相
态来制备膜。

混合基质膜可以结合各个添加剂的优点，常用的添加剂有：碳纳米管、二氧化硅、沸石和二氧化钛等。

3.1碳纳米管
碳纳米管的特征孔结构可加速液体分子的转移，是人们心中理想的膜分离材料。

由于碳纳米管独特结构，使其水分子的运输速度比理论值高几个数量级。

Dumee等人与PS支撑层的膜结构参数相比，接近一半（1.3nm）的降低接近于商
业上可获得的薄层复合膜的性能。

同时，已经证明使用碳纳米管作为正向渗透膜
的载体材料可以优化内部浓度极化现象。

因此，可以认为在制备混合正渗透膜中
添加碳纳米管可以大大提高膜性能。

因此可以认为在共混正渗透膜的制备中加入
碳纳米管可以大大改善膜的性能。

3.2二氧化硅
近几年二氧化硅才被人们注意并应用于膜领域，二氧化硅作为岩石及尘土的
主要成分，它具有明显的无机物特性。

二氧化硅在渗滤膜中的结垢和清洗行为，
实验表明，正渗透膜的回收率显著提高了。

另外研究多孔性二氧化硅MCM-41材料，并与尺寸相同但内部结构有差异无孔球状的二氧化硅材料NPs进行对比，观
察得到结论证实膜的亲水性和水通量都有明显提升。

另外，膜对钠盐如NaCl、NaSO4的截盐率在加入二氧化硅以后有所提高[11]。

3.3沸石
沸石可以在分子尺度对物质进行筛分，所以加入沸石等无机物而制成的膜具有稳定的结构、耐高温、抗生物腐蚀、化学稳定性好、化学清洗容易。

因此近年来被应用于分离膜的领域中，把沸石加入聚酰胺中制备复合正渗透膜，测得水通量比传统膜高出近80%。

3.4二氧化钛
在正渗透膜的聚砜支撑层中引入二氧化钛纳米颗粒。

结果表明，聚砜层的指状孔结构随二氧化钛添加增多而变多。

在膜的性能上，亲水性和孔隙率也有所提升。

将亲水改性之后的二氧化硅颗粒接在聚酰胺正渗透膜表面，膜的耐污染性大幅提高。

3.5其他添加剂
其他添加剂如纳米材料相关的埃洛石纳米管、Fe2NiO4纳米颗粒等。

由于纳米材料已经在混合基质反渗透及纳滤膜领域取得小部分研究成功，添加纳米颗粒的研究近年来也逐步展开。

纳米材料的使用可以改善致密分离层的性能，也可以减少正渗透的浓差极化现象。

将纳米银颗粒通过层层自组装的方法，添加到膜之后提高了分离性能和膜的耐生物污染性。

4.研究目的、意义和研究内容
目前对渗透膜材料的研究主要集中在提高渗透性能，降低浓差极化，提高物理强度等方面。

由于材料较易取得、成本较低，醋酸纤维素已经广泛实验并添加于正渗透膜的研制。

但是，高反盐通量和弱机械强度限制了其应用潜力。

纳米材料的引入可以改善膜的性能，同时降低正渗透浓度极化，降低盐通量。

本论文主要讨论通过添加各种改性材料至铸膜液中，在各样条件下如控制醋酸纤维素含量和凝固浴温度等条件，从而改进实验。

国内现状研究主要内容有以下几部分。

4.1传统醋酸纤维素正渗透膜
以醋酸纤维素（CA）为膜材料制备了传统正渗透膜，探讨了制备正渗透膜过
程中醋酸纤维素的含量、1，4-二氧六环的含量、聚乙二醇400（PEG-400）的含量、共混温度和凝固浴温度等操作条件，研究它们对正渗透膜的影响，比对前后
变化进行优化实验数据。

4.2醋酸纤维素/纳米氧化铝正渗透膜
以纳米氧化铝作为添加剂加入到铸膜液中制备正渗透膜以改善性能并改变某
些制备条件。

讨论了制备正渗透膜过程中纳米氧化铝含量、共混温度、凝固浴温度、热处理温度等操作条件对正渗透膜的影响，以求优化制膜参数。

4.3海水淡化小试实验
对本论文在实验室所制备的两种正渗透膜和商业化正渗透膜进行了海水淡化
小试实验，比较实验进行中几种正渗透膜的渗透性变化和差异。

参考文献
[1]三醋酸纤维素正渗透膜制备过程中影响因素的研究[J]. 刘蕾蕾、王铎、汪锰、高从堦. 膜科学与技术. 2011(01).
[2]热力学及动力学因素对L-S相转化法制备非对称膜结构与性能的影响[J]. 孙本惠.膜科学与技术. 2011(01).
1。