王斐予 正渗透技术原理及其应用

正渗透膜技术原理及其应用

王斐予

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正渗透（Forward osmosis, FO）是近年来发展起来的一种浓度驱动的新型膜分离技术，它是依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程，是目前世界膜分离领域研究的热点之一。相对于压力驱动的膜分离过程如微滤、超滤和反渗透技术，这一技术从过程本质上讲具有许多独特的优点，如低压甚至无压操作，因而能耗较低；对许多污染物几乎完全截留，分离效果好；低膜污染特征；膜过程和设备简单等。在许多领域，特别是在海水淡化、饮用水处理和废水处理中表现出很好的应用前景。[1]

1正渗透原理

图1 ( a) 正渗透( FO) ; ( b) 减压渗透( PRO) ( c) 反渗透(RO) 工作原理正渗透也称为渗透，是一种自然界广泛存在的物理现象，以水为例，FO 过程中水透过选择性半透膜从水化学位高的区域( 低渗透压侧) 自发地传递到水化学位低的区域( 高渗透压侧) 的过程。图a是正渗透的基本原理示意图。水和盐水两种渗透压不同的溶液被半透膜隔开，那么水会自发地从低渗透压侧通过半透膜扩散到高渗透压一侧，使盐水侧液位提高，直到膜两侧的液位压差与膜两侧的渗透压差相等(Δp = ΔΠ) 时停止。[2]该过程的推动力是溶剂在两种溶液中的化学位差或者是溶液的渗透压差［3］。

2 正渗透技术特点

如上所述，正渗透不同于压力驱动膜分离过程，它不需要额外的水力压力作为驱动力，而依靠汲取液与原料液的渗透压差自发实现膜分离。这一过程的实现需要几个必要条件：（1）可允许水通过而截留其他溶质分子或离子的选择性渗透膜及膜组件；（2）提供驱动力的汲取液；（3）对稀释后的汲取液再浓缩途径。[1]

早期关于正渗透过程研究均采用反渗透复合膜[4-6]，发现膜通量普遍较低，主要原因是复合膜材料的多孔支撑层产生了内浓差极化现象，大大降低了渗透过程的效率。20 世纪90 年代，Osmotek 公司（HydrationTechnologies Inc.(HTI)公司前身）开发了一种支撑型高强度正渗透膜，已被应用于多种领域，是目前最好的商业化正渗透膜[3]。

正渗透膜技术是相对于反渗透技术而提出来的，与反渗透技术相比较，正渗透技术具有得天独厚的优势：独有的驱动液体系，不需要外界的压力推动分离过程，能耗低；材料本身亲水，没有外加压力推动，可以有效防止膜污染；在脱盐过程中，回收率高，没有浓盐水的排放，实现零排放，是环境友好型技术。发展到现在，正渗透技术已不仅仅限于海水淡化领域的应用，其应用范围已经拓展至水净化、废水处理及食品医药等领域。本文主要探讨在水处理中的应用进展。[1]

3 正渗透膜的应用

3.1海水淡化

图2 新型的正渗透海水脱盐系统[7]

美国Yale 大学的Elimelech 和McCutcheon 等[7，8，9]利用正渗透技术对海水脱盐进行了系统化的研究，开发了一种新型的正渗透海水脱盐系统（如图2 所示[7]）。他们将整个系统分成前段和后段两部分，前段是正渗透段，将海水中的淡水从高化学势侧“拉”到低化学势侧。该系统的驱动液是混合铵盐溶液，这种驱动液既具有较高的渗透压，又能方便地与水分离。后段是驱动溶液的回收段，从海水中提取出来的水将铵盐溶液稀释，可通过适度加热（大约60℃），将铵盐分解成氨和CO2 并循环使用，剩余的液体就是稀盐水。该稀盐水通过进一步的柱状蒸馏或膜蒸馏（MD）即可获得纯净水。

3.2废水和垃圾渗出液的处理

Cornelissen 等[10，11]将正渗透技术引入MBR，将活性污泥处理和FO 膜分离以及RO 后处理结合起来，称为渗透膜生物反应器（OsMBR）。OsMBR 利用正渗透过程的抗污染性能，使用FO 膜取代微滤/超滤膜进行污染物的分离，水透过膜稀释驱动溶液，稀释的驱动溶液通过RO 单元进行浓缩并循环使用。该技术克服了MBR技术膜材料易污染以及能耗高的缺点，但是目前的正渗透膜还远没有达到工业要求，因此，今后对正渗透膜技术的研究热点之一将是研制高质量的正渗透膜。

3.3 水袋

美国的HTI 公司开发出了可在战争或紧急救援情况下使用的水净化设备，称为水袋（hydrationbag）[12]，是目前正渗透膜技术少有的几种商业化产品之一。以产品之一X-Pack 为例，其构造为双层袋状结构，内层为选择透过性的膜，外层为防水材料将内层膜包裹保护，并作为装水的容器。内层膜装入可饮用的驱动溶液（糖类或浓缩饮料）和渗透加速剂，将源水装入内层与外层的夹层中，洁净的水就可以透过内层膜稀释驱动溶液供人们饮用。

3.4浓盐水再浓缩

正渗透过程具有抗污染、较高的水回收率的特点，通过选择合适的驱动溶液，可进行浓盐水的再浓缩，甚至使盐析出，减少排放[13]。理想的正渗透脱盐过程目标是实现零液体排放，这点对于在内陆地区建设脱盐工程尤为重要。

3.5航天工业中的应用

NASA 和Osmotek 设计出了中试规模的FO 系统，称为DOC 系统。NASA 的DOC 系统包含反渗透和两个预处理系统。第一个子系统只使用FO 过程，主要用来截留离子和污染物（如表面活性剂）；第二个子系统使用正渗透（FO）和渗透蒸馏（OD）的结合过程，主要用于脱除尿素。

4 正渗透技术的展望

目前，正渗透技术的应用大多还处于实验室阶段，距离工业化应用和代替反渗透成为主流的水处理技术还有一段很长的路程。今后对于正渗透膜技术的研究将在以下几个方面开展：1、对正渗透膜材料合成的研究，研制高质量的膜材料。2、驱动液的研究，寻找经济、高效的驱动液。3、正渗透膜污染的研究，探究浓差极化现象以及各种因素对膜材料的污染

问题。4、正渗透在实际应用中的研究，使正渗透膜技术发挥现实价值。

总之，对正渗透的研究，都将围绕如何提高正渗透过程的水回收率、如何提高正渗透过程中的分离效率、以及如何降低正渗透过程的运行成本等方面进行。由于正渗透过程本身存在着能耗低、分离过程简单等诸多潜在优势，随着研究的深入，它必将在今后得到更加广泛的应用。[14]

参考文献：

[1] 林红军, 陈建荣等中国科学院上海应用物理研究所 2010 12F-0411-05

[2] 李刚,李雪梅等南京工业大学化学化工学院正渗透原理及差极化现象，化学进展201005-08 12-10

[3] Cath T Y，Childress A E，Elimelech M. Journal of MembraneScience，2006，281(1 /2) : 70—87

[4] Kravath RE, Davis JA. Desalination of seawater by directosmosis[J]. Desalination, 1975, 16: 151-155.

[5] Goosens I, Van-Haute A. The use of direct osmosis tests ascomplementary experiments to determine the water and saltpermeabilities of reinforced cellulose acetate membranes[J].Desalination, 1978, 26: 299-308.

[6] Mehta GD, Loeb S. Performance of Permasep B-9 and B-10 membranes in various osmotic regions and at high osmoticpressures[J]. Journal of Membrane Science, 1979, 4:335-349

[7] McCutcheon J R，Mcginnis R L，Elimelech M. A novel ammoniacarbondioxide forward （direct）osmosis desalination process[J].

Desalination，2005，174（1）：1-11.

[8] McCutcheon J R，Mcginnis R L，Elimelech M. Desalination byammonia-carbon dioxide forward osmosis：Influence of draw and

feed solution concentrations on process performance[J]. Journal ofMembrane Science，2006，278（1-2）：114-123.

[9] Mcginnis R L，Elimelech M. Energy requirements of ammoniacarbondioxide forward osmosis desalination[J]. Desalination，2007，207（1-3）：370-382.

[10] Cornelissen E R，Harmsen D，de Korte K F，et al. Membrane foulingand process performance of forward osmosis membranes on activatedsludge[J]. Journal of Membrane Science，2008，319（1-2）：158-168

[11] Achilli A，Cath T Y，Marchand E A，et al. The forward osmosismembrane bioreactor：

A low fouling alternative to MBR processes[J].Desalination，2009，239（1-3）：10-21

[12] Cath T Y，Childress A E，Elimelech M. Forward osmosis：Principles，applications，and recent developments[J]. Journal of MembraneScience，2006，281（1-2）：70-87.

[13] Elimelech，Menachem. Yale constructs forward osmosis desalinationpilot plant[J]. Membrane Technology，2007：7-8.

[14] 佘乾洪,迟莉娜等. 上海交通大学环境科学与工程学院正渗透膜分离技术及其在水处理中的应用与研究. 环境科学与技术 2010（33）.4-4