正渗透膜分离的研究进展

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2011年第30卷第1期·66·

化工进

展

正渗透膜分离的研究进展

施人莉，杨庆峰

（上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240）

摘要：正渗透是浓度驱动的膜技术，是指水通过选择性渗透膜从高水化学势区域向低水化学势区域的传递过程。本文介绍了正渗透的基本构成（驱动力、汲取液和正渗透膜材料），指出膜两侧的浓差极化是水通量性能的最大障碍，采用通量模型说明了膜在两种放置方向下存在的内浓差极化和外浓差极化，内浓差极化对驱动力的减小起着重要的作用；论述了膜材料、原料液浓度、汲取液浓度对正渗透和压力延迟渗透水通量的影响；此外，评述了正渗透过程的膜污染和能耗。

关键词：正渗透；浓差极化；膜污染；能耗

中图分类号：TQ 021.8 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2011）01–0066–08 Research advances in forward osmosis membrane separation

SHI Renli，YANG Qingfeng

（School of Environmental Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）Abstract：Forward osmosis（FO）is a concentration-driven membrane process，in which water transports across a semi-permeable membrane from a dilute feed solution into a concentrated draw solution. The basic factors of FO（driving force，draw solution and membrane materials）are introduced.

The major hindrance to permeate water flux performance is the prevalence of concentration polarization on both sides of the membrane. Flux models that account for the presence of both internal and external concentration polarization for the two possible membrane orientations are presented.

Internal concentration polarization is found to play a significant role in the reduction of driving force.

This article comments the effect of membrane material，feed solution concentration，and draw solution concentration on FO and pressure-retarded osmosis（PRO）water flux performance. In addition，membrane fouling as well as energy consumption of FO is evaluated.

Key words：forward osmosis；concentration polarization；membrane fouling；energy consumption

正渗透（forward osmosis，FO）技术近年来受到越来越多的关注。FO采用高浓度的汲取液来产生高的渗透压，以汲取低浓度原料液侧的水透过半渗透膜，然后再将被稀释的汲取液中的水进行分离，最终可获得纯净的水。

相对于反渗透（RO）技术[1–3]，这种利用溶液渗透压差来进行分离的FO技术，由于其回收率高、浓水排放少、膜污染低、无需外压等，正有越来越多的研究报道出现。当前，人们利用FO膜分离技术开展工业废水处理[4]、垃圾渗滤液处理、液态食品加工、海水淡化[5–6]、压力延迟渗透（pressure- retarded osmosis，PRO）进行发电等研究；另外，在紧急救援时的生命支持系统方面已利用FO膜分离技术制取淡水[7–8]。然而，由于FO中存在的浓差极化现象，其实际水通量明显小于预期水通量。因此，对FO过程进行深入研究具有重要的意义。

收稿日期：2010-05-19；修改稿日期：2010-07-04。

基金项目：上海教委科研创新重点项目（09ZZ18）及国家自然基金项

目（20306015，20676077）。

第一作者：施人莉（1987—），女，硕士研究生。联系人：杨庆峰。

E-mail yangqf@。

第1期施人莉等：正渗透膜分离的研究进展·67·

1 正渗透过程基本构成

1.1 驱动力

正渗透是指水通过选择性渗透膜从高水化学势区域向低水化学势区域的传递过程。与反渗透不同，正渗透的驱动力是跨膜渗透压差（由汲取液与原料液产生），而不是水力压差[9]。

1.2 汲取液

汲取液（draw solution）是具有高渗透压的溶液体系，由汲取溶质和溶剂（一般是水）组成。汲取液是正渗透过程能够顺利进行的关键组成部分，其高渗透压由汲取液中高浓度的溶质产生。

McCutcheon等[5]使用一定比例的NH3和CO2溶于水中制成汲取液。该汲取液是由碳酸铵、碳酸氢氨和氨基甲酸氨组成的混合物。NH3-CO2的高溶解度和相对低的分子量确保了该汲取液具有高的渗透压力。实验发现使用该汲取液时，可实现高通量和高回收率。在温度为60 ℃条件下，NH3-CO2汲取液可以分解为氨和二氧化碳。通过低温蒸馏，将氨和二氧化碳从溶液中去除，实现产水与汲取液分离。McGinnis等[10]采用碳酸氢氨（NH4HCO3）和氢氧化铵（NH4OH）混合制成的汲取液，研究PRO 发电，结果表明PRO过程产生的膜电力密度可达200 W/m2。

研究表明，采用铁蛋白制成的磁性纳米颗粒，可用于制作汲取液[11]。高浓度的磁性纳米颗粒形成的汲取液能产生高的渗透水通量，同时可以通过磁场而不是复杂的化学过程或过滤与水分离。另外，磁性纳米颗粒可以完全循环利用，并具有生物降解性。此外，其它无机磁性物质结合有机或无机载体形成的化合物也可用来制备汲取液，这些化合物可以通过磁场或电化学法与水分离。

另外的汲取液还有高浓度葡萄糖溶液[12]、MgCl2、CaCl2和NaCl等溶液。此外在一些应用中，也有使用海水、死海水[13]作为汲取液的。

总之，选择汲取液的主要标准是汲取液应具有较高的渗透压，与正渗透膜兼容，并且易于再生。

1.3 膜材料

正渗透膜材料是正渗透技术的核心。目前市场上应用的反渗透膜具有非对称结构，且膜厚度大，若用于FO会造成严重的内浓差极化（ICP），大大降低渗透过程的效率。因此，需要设计和制备专用的FO膜。

目前应用于FO的膜有三乙酸纤维素（CTA）膜、乙酸纤维素（CA）膜、聚苯并咪唑（PBI）膜、聚酰胺（PA）TFC-FO复合膜。

美国HTI公司商品化的CTA正渗透膜材料，厚度小于50 μm，与传统RO膜的3层结构（活性层、聚合物多孔支撑层和用于提高机械强度的无纺布支撑层）不同，该FO膜由两层结构组成，即活性层和多孔支撑层，而机械支撑层则由镶嵌于多孔聚合物阵列中的格网代替[9]。

Su等[14]对CA纳滤膜进行相转化处理后，在60 ℃加热60 min和在95 ℃加热20 min进行热处理。当使用0.5 mol/L MgCl2作为汲取液，实验发现CA纳滤膜的水通量标准偏差为0.066，盐渗漏标准偏差为0.022。因此，使用CA纳滤膜进行FO测试是可行的。

研究表明，PBI纳滤膜平均有效孔径为0.32 nm，具有独特的纳滤特性和理想的渗透水通量，对二价离子具有高截留率[15]。通过对二甲苯二氯的交联对膜进行微调，可提高膜对盐的选择性[16]。Yang 等[17]使用新开发的聚苯并咪唑-聚醚砜/聚乙烯吡咯烷酮（PBI-PES/PVP）双层中空纤维纳滤膜，具有厚度为10 μm的超薄选择层和海绵状的微孔支撑结构。进行FO测试，可实现溶菌酶高倍率浓缩，并且蛋白质污染较轻。

Yip等[18]首先使用聚酯（PET）无纺布支撑层进行相分离制备聚砜膜，然后通过界面聚合制备高性能聚酰胺复合膜。制备的聚砜支撑层为海绵状和开孔手指状的混合体，这不仅有利于界面聚合，而且大大增加了膜孔内溶质的传递性能。采用 1.5 mol/L NaCl溶液作为汲取液，纯水作为料液，复合膜的水通量超过18 L/(m2·h)，同时保持脱盐率大于97%。研究表明，该复合FO膜的高水通量与聚砜支撑层的厚度、孔隙率、弯曲度和孔结构直接相关。CA膜在其稳定pH值为4～6以外运行时，膜以指数增长的速率降解；而他们合成的TFC-FO膜由于采用聚酰胺皮层，在pH值为11时仍能保持稳定的性能。此外，当商用的CTA 正渗透膜与NH4HCO3汲取液接触时，膜会降解，而合成的TFC-FO膜在NH4HCO3汲取液中则化学性质稳定[18]。

Martinetti等[19]用Na2EDTA溶液清洗CTA膜