正渗透技术的应用现状及前景

正渗透技术的应用现状及前景

摘要

正渗透技术作为一种新兴的膜技术以其低能耗、耐污染的特点在国际上受到越来越多的关注，并且在海水淡化、绿色能源、航空航天、食品浓缩等多个行业得到了迅速发展。本文从正渗透技术概述、特点、影响因素和工业应用等方面进行了论述，并展望了该领域未来的发展方向。

关键词：正渗透膜；汲取液；海水淡化

目录

第1章前言 (1)

第1.1节正渗透技术概述 (1)

1.1.1正渗透技术原理 (1)

第2章正渗透过程 (3)

第2.1节正渗透膜的选择 (3)

2.1.1正渗透膜的结构 (3)

2.1.2正渗透膜的特点 (3)

第2.2节浓差极化现象 (4)

2.2.1浓差极化的分类 (4)

2.2.2浓差极化的影响 (4)

第2.3节汲取液的选择 (5)

2.3.1汲取液的特点 (5)

2.3.2汲取液的分类 (5)

第3章正渗透过程的影响因素 (7)

第3.1节正渗透过程实现的条件 (7)

第3.2节正渗透过程的影响因素 (7)

3.2.1 膜进水方向的影响 (7)

3.2.2 原料液与汲取液浓度的影响 (7)

3.2.3 温度的影响 (7)

3.2.4 流速的影响 (8)

第3.3节正渗透膜污染 (8)

第4章正渗透技术的应用 (9)

第4.1节正渗透过程的特点 (9)

第4.2节正渗透过程的工业应用 (9)

4.2.1 海水淡化和软化 (9)

4.2.2 废水和垃圾渗出液的处理 (10)

4.2.3 正渗透膜生物反应器 (11)

4.2.4药物控制释放过程 (12)

第5章结论 (13)

参考文献 (14)

第1章前言

第1.1节正渗透技术概述

随着人口膨胀和环境污染等全球性问题的出现，水危机以及能源紧张已经成为目前阻碍全球发展的一大难题[1]。众所周知，水与能源是相互依存的关系，清洁水是产生能源必不可少的来源之一，而清洁水的生产又需要消耗能源。各个国家都在不断的探索新的技术以缓解水危机和能源紧张带来的发展问题，其中正渗透技术就是当前研究的热点。现阶段在水处理、能源开发、生命科学等方面，该技术都得到了广泛的关注与研究。国内在正渗透技术方面的研究起步较晚，近几年部分学者也开始了正渗透技术方面的研究与探讨[2-4]。

1.1.1正渗透技术原理

正渗透（Forward Osmosis），也称为渗透，是一种自然界广泛存在的物理现象。以水为例，在FO过程中，水透过选择性半透膜从水化学势高的区域（低渗透压一侧）自发地传递到水化学势低的区域（高渗透压一侧）[2]。如果将水和盐水两种渗透压不同的溶液用半透膜隔开，水就会自发的通过半透膜从水侧扩散到盐水侧，使盐水侧的水位不断提高，直至两侧液体的液位压差等于膜两侧的渗透压差时停止。反渗透过程是在盐水侧施加一定的压力克服渗透压，使得水从盐水侧扩散到水侧。如果盐水侧施加的压力小于两种液体的渗透压差，水仍然从水侧扩散到盐水侧，而这一过程成为减压渗透或者压力阻尼渗透，它也是一种正渗透过程[3]。几种渗透过程示意图如图1·1。

图1·1 正渗透、压力阻尼渗透、反渗透过程原理示意图

正渗透技术的驱动力是两种溶液的化学势差或者渗透压差本身，无需外加压力，具有低能耗、低膜污染、不易结垢[5]等特点，在脱盐、浓缩、能源和水净化等领域有着广泛的应用前景。

第2章正渗透过程

第2.1节正渗透膜的选择

2.1.1正渗透膜的结构

正渗透过程的核心是正渗透膜。任何一种选择性透过膜都可以作为正渗透膜使用，可分为生物膜和合成膜两类。1748年法国学者Abbe Nollt利用猪膀胱进行渗透试验，许多植物的外皮等部位内部具有多孔结构，也可作为半透膜使用。20世纪30年代出现了醋酸纤维素膜；40年代离子交换膜得到开发和利用；50年代，加拿大学者Sourirajan等开始了反渗透膜分离技术的实验和理论研究，后来陆续发现了醋酸纤维

素膜、芳香聚酰胺膜等等[6]。

渗透膜一般包括两部分，内层为疏松多孔结构，叫做支撑层；外面有一层较致密的皮层，叫做选择层或者分离层。膜的选择性来自于皮层的选择性透过。衡量渗透膜性能的指标有水通量、盐截留率、分离效率等。HTI公司的正渗透膜截面照片如图2·1。

图2·1 HTI公司的正渗透膜的SEM截面照片

2.1.2正渗透膜的特点

实践证明[2]，理想的正渗透膜应当具备以下几个特点：（1）膜的皮层尽可能致密。

致密的皮层可以减少汲取液中的盐的反向渗透混量，同时可以保证较高的盐截留率；（2）多孔支撑层应当尽可能的薄，空隙率要低。支撑层越薄，物质的传质阻力越小，水通量就越大；同时支撑层的空隙率低，可以有效的减小膜内的浓差极化现象；（3）膜材料的亲水性要好。亲水性的膜材料可以提高水通量，同时提高膜的抗污染能力；（4）膜应具有较高的机械强度。机械性能好的膜可以延长其使用寿命，降低生产成本；（5）具有较强的抗化学腐蚀性以及较宽的pH值适用范围。正渗透膜要求对原料和汲取液能够保持化学稳定性，这样当用膜进行污水处理、海水淡化等应用时才能保证膜的结构不被破坏。

第2.2节浓差极化现象

2.2.1浓差极化的分类

在影响膜水通量和分离效率的众多因素中，浓差极化是不可忽略的一个重要因素，浓差极化又可以分为外浓差极化和内浓差极化两种。在渗透压的驱动下，待浓缩溶质传递到膜的表面，被截留的溶质在膜表面附近不断的聚集，结果使得膜表面处的溶质浓度远远高于其在溶液本体中的浓度，这种在膜表面外部发生的浓差极化现象成为外浓差极化，这种现象不仅发生在正渗透过程中，在以压力为推动力的膜过程中也会发生；内浓差极化通常发生在非对称性的多孔支撑层的空隙内部，内浓差极化是正渗透过程中所特有的现象[6]。正渗透膜若用对称性均质膜，则只发生外浓差极化，当原料液流经膜的选择性分离层时，溶质在皮层上聚集，发生浓缩性的外浓差极化，该极化现象使原料液侧膜表面的渗透压提高，从而使有效渗透压差降低。与此同时，膜的另一个接触面的汲取液被从原料液侧渗透过来的水不断稀释，导致膜表面处汲取液浓度和渗透压降低，这是稀释的外浓差极化。

2.2.2浓差极化的影响

无论是浓缩性的外浓差极化还是稀释性的外浓差极化，都会使主体溶液的实际渗透压差降低，造成水通量的降低。外浓差极化现象带来的不利影响，可以通过增加膜表面的液体流速的方式减小，溶液以湍流的方式在膜表面流动，可以使边界层厚度减小，从而减小浓差极化。由于正渗透过程是在无压条件下进行的，外浓差极化并不是膜通量下降的主要原因，而且正渗透膜大多数为非对称性膜或者复合膜，它们都是由