正渗透膜分离技术

正渗透膜分离技术

研究背景

随着世界人口数量的迅速增长和矿物燃料的急剧消耗，水资源和能源已成为地球上两种至关重要的资源。水资源匮乏和能源危机困扰着全球许多不同的团体。据报导，世界上至少十二亿的人缺乏洁净安全的饮用水，有二十六亿的人缺少足够多的环境卫生设备。

膜技术是近几十年迅速发展起来的高效分离技术，因其节能、高效、经济、简单方便、无二次污染等一系列优点，在水处理中已被广泛地用于苦咸水淡化、海水淡化、工业给水处理、纯水及超纯水制备、废水处理、污水回用等。作为一种低能耗、低污染的绿色技术，新型的膜分离技术，正渗透（Forward osmosis，FO），在供水和产能方面拥有着巨大的潜能，甚至在食品加工行业、医药行业也有很好的应用前景，正逐渐成为人们关注和研究的热点。

膜分离技术

作为一种广泛应用的分离技术，膜处理的分离原理主要是在常温下使溶质和溶剂通过半渗透膜，达到分离、浓缩和纯化的目的，在这个过程中，驱动力一般为压力驱动或电位驱动。该技术的特点有以下几个方面：

（1）膜分离过程在常温下进行分离。

（2）膜分离过程无相变化。

（3）膜分离技术的适用范围较广。

（4）膜分离效率高，分离效果好。

（5）膜分离技术采用装置简单，操作方便。

通常来说，膜分离技术，能够对不同的微粒、分子、离子进行有效的分离，膜材料亦丰富为醋酸纤维素(CA)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺(PA)、聚砜(PS)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、陶瓷膜等。

常见水处理膜分离技术主要有以下几类：

（1）微滤(MF)：由0.01～0.2 MPa的外加压力作为驱动力。膜的微孔直径处于微米范围，可截留粒径为0.1～10μm的悬浮物颗粒、纤维等。

（2）超滤(UF)：超滤以0.1～1.0 MPa左右的压力差为推动力。分离膜的孔径在

0.0015～0.02μm之间。

（3）反渗透(RO)：以1～70MPa左右的压力差为推动力。

（4）纳滤(NF)：由0.5～1.5MPa的外加压力作为驱动力。

正渗透

在正渗透中，用于分离的驱动力主要为FO膜两侧的汲取液和原料液之间的渗透压差，使水从原料液（较低渗透压）一侧自发传递到汲取液（较高渗透压）。不同于传统的靠压力驱动的膜分离技术，比如微滤、超滤、纳滤与反渗透等，正渗透由于运行的原理不同，因此有着独有的优势，例如施加较低或不施加压力，导致更低的能耗，降低运行成本；正渗透的分离能力强，对污染物有着较高的截留率；正渗透污染几乎为可逆污染，因而清洗效率高；正渗透的膜装置组成简单，操作容易等。在众多领域内，正渗透近几十年来均有着广泛的应用，特别的，在一些重要领域如海

水淡化、水处理，食品加工和利用渗透发电等方面表现出良好的应用前景，是目前世界膜分离领域研究的热点之一。

正渗透汲取液

在正渗透中，汲取液是不可缺少的关键组成部分，用作汲取液的溶质叫做汲取溶质。当为正渗透应用选择理想的汲取液时，有以下三个主要的选择标准：

（1）汲取液应该具有相对较高的渗透压，保证FS和DS之间有足够的渗透压差，使正渗透顺利进行；

（2）被稀释的汲取液应该能方便且经济地与渗透水进行分离并且能够重复使用，易于回收利用；

（3）汲取溶质在正渗透过程中应产生尽量低的内部浓差极化。有研究表明，汲取液的扩散系数、粘度和粒子尺寸远远影响着正渗透的内部浓差极化。

正渗透浓差极化

浓差极化现象是压力驱动和渗透压驱动过程一个非常正常也是不可避免的现象，在渗透压驱动膜过滤过程中，浓差极化是由于不对称膜两侧驱动液和污水的浓度不同造成的，在正渗透过程中，外部浓差极化（ECP）和内部浓差极化(ICP)均会发生，正常情况下，ECP发生在密实的活性层表面，而ICP则发生在支撑层里面。其中起主要作用的是内浓差极化。