正渗透汲取剂及其回收工艺
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DS，即汲取剂的水溶液，为FO系统提供直接驱动 力，是FO过程的关键组成部分。一般合适汲取剂的特点： 高渗透压、较小的反向扩散性能、易从水中分离、经济 可行性、可重用性和无毒性、与FO 膜兼容。
汲取剂类型
无机型
NaCl,CO2/NH3,fertilizers,seawater, and aluminum/copper/magnesium sulfate, sugar, etc. 优缺点：高的渗透压但易返流，不易回收再利用。
2、聚合物水凝胶：是聚合物链由物理或化学键连接而 成的三维网状结构；带有离子基团的水凝胶能够提高渗 透压，在环境刺激下（温度、光、压力或酸碱）能发生 可逆变化。能耗更低
影响FO性能的汲取剂特性
表征FO性能的指标主要有：水通量、反向溶质通量、 回收率、脱盐率等。
汲取剂主要特征包括：渗透压、相对分子质量、水溶 性、黏度、扩散系数、温度、含量等。而这些特征对 FO性能的影响不是孤立的。
正渗透原理
膜两侧的溶液分别为具 有较低渗透压的原料液 （FS） 和具有较高渗透 压的汲取液(DS)。
正渗透(Forward Osmosis，FO)是一种依靠渗透压驱动的自发膜分 离过程，即水通过选择性半透膜从较高水化学势区域(低渗透压侧) 自发地扩散到较低水化学势区域(高渗透压侧)的过程。
正渗透的应用
汲取剂分离回收工艺
热分离法（对具有挥发性或热敏性的汲取剂） 膜分离法（大多数汲取剂、膜蒸馏/超滤/纳滤/反渗透） 磁分离法（对于磁性纳米粒子汲取剂） 沉淀法 刺激响应法（采用智能材料，利用地热、辐射等刺激） 组合工艺
加热或蒸馏回收
无机物汲取液 美国耶鲁大学Elimelech课题组以碳酸氢铵（或氨气与 二氧化碳气体高浓度溶液）为汲取液驱动海水进行正渗 透脱盐淡化。
对于一般溶液，其渗透压与 浓度的关系可利用维里方程 表示：
π/(cRT)=1+Bc+Cc2+Dc3+··· 式中：
B、C、D为维里系数。 由上述公式可以看出，DS渗 透压是溶质浓度c、溶质相对 分子质量M、温度T的函数。
溶质扩散系数Ds的影响
K=δτ/εDs
式中： K为溶质扩散阻力， δ、τ、ε分别为膜支承层的厚度、曲 折度、孔隙率。
正渗透具有出水水质高、能耗低、污染轻等优点，有着 广泛的应用前景，包括： 海ຫໍສະໝຸດ Baidu淡化 工业废水、垃圾渗滤液处理 污泥浓缩脱水 农田灌溉 能源微藻脱水 食品加工 发电
正渗透的组成
正渗透膜
正渗透膜由具有选择透过性的致密活化层和具有一 定机械强度的多孔支撑层。活化层由三醋酸纤维素组成 (hydrolyzes outside the 4 to 7 pH range)。 汲取剂
3、NaCl：是一种简单常用的汲取剂，有较高水体溶性 和渗透压，不易结垢，广泛运用于食品生产和污水处理 等领域。
4、不同无机肥料做汲取剂：可实现直接施肥灌溉。
有机型汲取剂
1、新型树状大分子汲取剂：有结构精确的对称球面或球 状纳米结构，由高度支化结构通过共价键连接中央核组 成；能产生高渗透压（2.28MPa），且易于通过传统膜 分离工艺回收。
渗透压的影响
渗透压是指溶液本身固有的，导致选择透过性膜两侧溶液之间 渗透现象发生的压力。
根据范特霍夫定律（Van’t Hoff），理想稀溶液渗透压 为：
π=cRT=ρRT/M
式中：
π为稀溶液渗透压 R为气体常数 （8.314L·Kpa/(K·mol)） T为绝对温度 该公式适用于稀溶液和溶质 相对分子质量较大的溶液
由上式可以看出，扩散系数大的溶质扩散阻力小， 从而更容易通过膜的支撑层扩散。
温度的影响
1、温度对渗透压、黏度、扩散系数等均有影响； 2、T↑水分子活动变的剧烈，溶液粘度相应较低，促进 水的扩散，增加了膜通量； 3、影响内浓差极化现象； 4、较高温度下，膜表面结晶更密实，降低了清洁效率。
因此，升高温度能够提高通量，到达某一临界 点时，膜开始结垢，导致通量下降，影响工艺性能。
第三个阶段是20世纪80年代以后。这一时期我国膜分离技术跨入应用 阶段，一些技术上较为成熟的膜过程开始得到应用。在自己研制成功 的醋酸纤维素(CA)膜与复合膜生产装置的基础上，又相继引进了外国 有关公司的反渗透膜生产线。反渗透技术已在我国电厂锅炉补给水预 除盐、超纯水制造、海水和苦咸水淡化等方面大规模推广应用，并取 得很好的技术效益和经济效益。
有机型
2-甲基咪唑基化合物, 六价磷腈化合物, EDTA钠盐，聚丙烯酸钠， 功能化碳量子点化合物，木质素磺酸盐, 智能材料等。
优缺点：这些汲取剂具有较高的渗透压，相对低的反向扩散和再 生能耗。
磁性汲取剂
优缺点：易于利用磁场和低压膜过程与水分离，但易团聚。
无机型汲取剂
1、挥发性溶质SO2的水溶液：进行FO海水脱盐 2、新型碳酸氢铵汲取剂：2005年，耶鲁大学 Elimelech 团队提出，研究发现，高溶解性的NH4HCO3溶液能产生 较高的渗透压，从而获得高水通量和回收率。经温和加 热后可分解为NH3和CO2，易于实现汲取剂的分离。(稳 定性？)
我国膜分离技术研究和应用的三个阶段
第一个阶段是20世纪60年代的开创时期。这个时期电渗折是我国最早 得到推广应用的膜分离过程，其应用领域涉及苦咸水淡化；电厂锅炉 补给水预除盐；电子、医药行业超纯水制造等。离子交换膜、隔板、 电极及其他配套设备已能自己制造，并几经换代使电渗析装置日趋完 善。
第二个阶段是20世纪70年代。这一时期，电渗析、反渗透、超滤和微 滤等各种膜和相应组件、装置都在研究中，或己开发出来，除电渗析 外，其他膜组件仍末得到应用。
现阶段的膜分离技术
从1980年至今，膜技术已发展到第3阶段，即发展到 以追求低能耗高分离效率、环境友好、绿色能源（太阳 能、风能、潮汐能）利用等为目标的膜技术革新阶段， 涉及到制膜技术的进步、创新集成膜工艺的开发与利用 等。中国也从最初的研发参与国发展到膜技术的研究与 应用大国。第3阶段中有代表性的创新膜技术主要是具 有低能耗、低环境影响负荷特点的正渗透（FO）、膜蒸 馏（MD）等膜分离技术。
汲取剂类型
无机型
NaCl,CO2/NH3,fertilizers,seawater, and aluminum/copper/magnesium sulfate, sugar, etc. 优缺点：高的渗透压但易返流，不易回收再利用。
2、聚合物水凝胶：是聚合物链由物理或化学键连接而 成的三维网状结构；带有离子基团的水凝胶能够提高渗 透压，在环境刺激下（温度、光、压力或酸碱）能发生 可逆变化。能耗更低
影响FO性能的汲取剂特性
表征FO性能的指标主要有：水通量、反向溶质通量、 回收率、脱盐率等。
汲取剂主要特征包括：渗透压、相对分子质量、水溶 性、黏度、扩散系数、温度、含量等。而这些特征对 FO性能的影响不是孤立的。
正渗透原理
膜两侧的溶液分别为具 有较低渗透压的原料液 （FS） 和具有较高渗透 压的汲取液(DS)。
正渗透(Forward Osmosis，FO)是一种依靠渗透压驱动的自发膜分 离过程，即水通过选择性半透膜从较高水化学势区域(低渗透压侧) 自发地扩散到较低水化学势区域(高渗透压侧)的过程。
正渗透的应用
汲取剂分离回收工艺
热分离法（对具有挥发性或热敏性的汲取剂） 膜分离法（大多数汲取剂、膜蒸馏/超滤/纳滤/反渗透） 磁分离法（对于磁性纳米粒子汲取剂） 沉淀法 刺激响应法（采用智能材料，利用地热、辐射等刺激） 组合工艺
加热或蒸馏回收
无机物汲取液 美国耶鲁大学Elimelech课题组以碳酸氢铵（或氨气与 二氧化碳气体高浓度溶液）为汲取液驱动海水进行正渗 透脱盐淡化。
对于一般溶液，其渗透压与 浓度的关系可利用维里方程 表示：
π/(cRT)=1+Bc+Cc2+Dc3+··· 式中：
B、C、D为维里系数。 由上述公式可以看出，DS渗 透压是溶质浓度c、溶质相对 分子质量M、温度T的函数。
溶质扩散系数Ds的影响
K=δτ/εDs
式中： K为溶质扩散阻力， δ、τ、ε分别为膜支承层的厚度、曲 折度、孔隙率。
正渗透具有出水水质高、能耗低、污染轻等优点，有着 广泛的应用前景，包括： 海ຫໍສະໝຸດ Baidu淡化 工业废水、垃圾渗滤液处理 污泥浓缩脱水 农田灌溉 能源微藻脱水 食品加工 发电
正渗透的组成
正渗透膜
正渗透膜由具有选择透过性的致密活化层和具有一 定机械强度的多孔支撑层。活化层由三醋酸纤维素组成 (hydrolyzes outside the 4 to 7 pH range)。 汲取剂
3、NaCl：是一种简单常用的汲取剂，有较高水体溶性 和渗透压，不易结垢，广泛运用于食品生产和污水处理 等领域。
4、不同无机肥料做汲取剂：可实现直接施肥灌溉。
有机型汲取剂
1、新型树状大分子汲取剂：有结构精确的对称球面或球 状纳米结构，由高度支化结构通过共价键连接中央核组 成；能产生高渗透压（2.28MPa），且易于通过传统膜 分离工艺回收。
渗透压的影响
渗透压是指溶液本身固有的，导致选择透过性膜两侧溶液之间 渗透现象发生的压力。
根据范特霍夫定律（Van’t Hoff），理想稀溶液渗透压 为：
π=cRT=ρRT/M
式中：
π为稀溶液渗透压 R为气体常数 （8.314L·Kpa/(K·mol)） T为绝对温度 该公式适用于稀溶液和溶质 相对分子质量较大的溶液
由上式可以看出，扩散系数大的溶质扩散阻力小， 从而更容易通过膜的支撑层扩散。
温度的影响
1、温度对渗透压、黏度、扩散系数等均有影响； 2、T↑水分子活动变的剧烈，溶液粘度相应较低，促进 水的扩散，增加了膜通量； 3、影响内浓差极化现象； 4、较高温度下，膜表面结晶更密实，降低了清洁效率。
因此，升高温度能够提高通量，到达某一临界 点时，膜开始结垢，导致通量下降，影响工艺性能。
第三个阶段是20世纪80年代以后。这一时期我国膜分离技术跨入应用 阶段，一些技术上较为成熟的膜过程开始得到应用。在自己研制成功 的醋酸纤维素(CA)膜与复合膜生产装置的基础上，又相继引进了外国 有关公司的反渗透膜生产线。反渗透技术已在我国电厂锅炉补给水预 除盐、超纯水制造、海水和苦咸水淡化等方面大规模推广应用，并取 得很好的技术效益和经济效益。
有机型
2-甲基咪唑基化合物, 六价磷腈化合物, EDTA钠盐，聚丙烯酸钠， 功能化碳量子点化合物，木质素磺酸盐, 智能材料等。
优缺点：这些汲取剂具有较高的渗透压，相对低的反向扩散和再 生能耗。
磁性汲取剂
优缺点：易于利用磁场和低压膜过程与水分离，但易团聚。
无机型汲取剂
1、挥发性溶质SO2的水溶液：进行FO海水脱盐 2、新型碳酸氢铵汲取剂：2005年，耶鲁大学 Elimelech 团队提出，研究发现，高溶解性的NH4HCO3溶液能产生 较高的渗透压，从而获得高水通量和回收率。经温和加 热后可分解为NH3和CO2，易于实现汲取剂的分离。(稳 定性？)
我国膜分离技术研究和应用的三个阶段
第一个阶段是20世纪60年代的开创时期。这个时期电渗折是我国最早 得到推广应用的膜分离过程，其应用领域涉及苦咸水淡化；电厂锅炉 补给水预除盐；电子、医药行业超纯水制造等。离子交换膜、隔板、 电极及其他配套设备已能自己制造，并几经换代使电渗析装置日趋完 善。
第二个阶段是20世纪70年代。这一时期，电渗析、反渗透、超滤和微 滤等各种膜和相应组件、装置都在研究中，或己开发出来，除电渗析 外，其他膜组件仍末得到应用。
现阶段的膜分离技术
从1980年至今，膜技术已发展到第3阶段，即发展到 以追求低能耗高分离效率、环境友好、绿色能源（太阳 能、风能、潮汐能）利用等为目标的膜技术革新阶段， 涉及到制膜技术的进步、创新集成膜工艺的开发与利用 等。中国也从最初的研发参与国发展到膜技术的研究与 应用大国。第3阶段中有代表性的创新膜技术主要是具 有低能耗、低环境影响负荷特点的正渗透（FO）、膜蒸 馏（MD）等膜分离技术。