正滲透膜分離技術在水處理中的應用與展望

王杰

（同濟大學上海200092）

正滲透膜分離技術在水處理中的應用與展望

王杰

（同濟大學上海200092）

簡述了正滲透膜分離的原理，概括了當前正滲透膜分離技術在海水淡化領域、污水處理領域（包括工業污水、污泥濃縮以及混合工藝）和產業化應用領域的發展。并展望了正滲透分離技術未來在在膜材料、汲取液和膜污染三個方面的研究和發展。

正滲透；正滲透膜；水處理；應用

隨著全球經濟的迅速發展，環境日益惡化，成為了越來越多人關心的問題。其中水資源短缺問題尤其得到人們的重視，這直接和人類的生活息息相關。在這一背景下，膜技術近年來迅速發展起來，在水處理領域得到了廣泛的關注。

在眾多的膜分離技術中，目前已經得到應用的大多為壓力驅動分離技術。壓力驅動分離技術具有高能耗和高膜污染的缺點，大大降低了其工作效率。而正滲透（Forward Osmosis,FO）技術無需外壓驅動，以系統溶液自身的滲透壓驅動膜分離，其低能耗低污染和高截留率的特點引起了人們的注意。以新加坡和美國為代表的許多國家的科研機構，已經針對FO膜展開了的深入研究[1-2]。

1　正滲透膜分離的原理

滲透是指水分子從自由能高（滲透壓低）的地方通過半透膜向自由能低（滲透壓高）的方向移動的過程[3]。在FO過程中，這個現象表現為水分子從低濃度溶液向高低濃度溶液移動。水處理中，待處理的低滲透壓液體被稱為原料液，一種相對原料液具有較高滲透壓的溶液被稱為汲取液，水分子通過FO膜從原料液腔體進入汲取液腔體。原料液濃縮后可進入其他污水處理系統處理，被稀釋的原料液則可通過反滲透（Reverse Osmosis,RO）、蒸餾等方式獲取濃縮的溶液和潔凈的淡水，濃縮的溶液可再回收進入正滲透系統中作為汲取液使用。

2　在水處理中的應用

2.1海水淡化

將FO技術應用于海水淡化早在20世紀60年代就有人提出，然而受制于當時的制膜水平以及汲取液的原因，還僅僅存在于概念與實驗階段，尚無法付諸于應用。2006年，耶魯大學E-limelech課題組[1]發明了一種新型汲取液應用于海水淡化技術，并且進行了中試實驗。這項新型技術的核心在于其選擇了特殊的汲取液，它將碳酸氫鈉與氨水按照一定的配比混合溶解于水中作為驅動液，該驅動液兼具了高驅動壓和易分離兩個優點。研究顯示，在驅動液濃度為6 mol/L的條件下，其滲透壓為249.5atm。以0.5 mol/L氯化鈉溶液作為原料液，系統的滲透壓差（△π）高達213.8 atm，系統的脫鹽率為95%，水通量達到了25 L/m2h。稀釋后的驅動液，只需將其加熱至60℃，銨鹽即被分解為二氧化碳和氨氣，選擇合適的方法（如蒸餾）將水分離，即可得到純凈的產品水，二氧化碳和氨氣則收集后可循環使用。該方法同其他海水淡化方法比具有能耗低、脫鹽效果好的優勢。但是NgH Y等[4]針對本方法也提出了一些合理的質疑，4 mol/L的碳酸氫鈉在50℃時仍不能完全溶解于水中，但是已經有氣泡冒出，說明已經發生了分解。在這種情況下驅動液能否持續穩定的輸出高滲透壓存在一定的疑慮。而驅動液的回收過程中涉及到了三種銨鹽的化學反應，不可避免地增加了維持系統穩定性的難度。

2.2污水處理

FO膜應用于污水處理最早出現在工業廢水領域。70年代有研究者將RO膜作FO用途[5]，濃縮工業廢水中的重金屬。盡管最終效率較低而放棄了中試試驗，但是這為FO技術在污水處理中的應用奠定了基礎。90年代，HTI公司開發生產了第一種商業用FO膜CTA，加速了FO應用的發展。York[6]等采用CTA膜處理垃圾滲濾液，在中試試驗濃縮過程中產水率高達90%，有毒有害物質的去除率高達99%，達到了國家污染物排放的標準。有研究人員提出了用FO膜兩階段濃縮污泥的方法。采用海水作為汲取液，第一階段直接濃縮活性污泥，進行初步脫水。脫水后的污泥進行消化干化，產生的消化液則進入第二階段再次濃縮。該工藝省去了二沉池的使用，污泥濃縮效果好，局限性該工藝在于僅限于在海岸邊使用。

Achilli等在傳統膜生物反應器中，將FO膜替代超濾膜和納濾膜，形成了新的OMBR工藝。這也是當前FO膜的研究熱點之一。OMBR與傳統膜生物反應器相比，無需外壓驅動，膜污染較輕，具有能耗低，清洗周期長的優點。但是OMBR汲取液的鹽會在反應器中積累，影響生物活性，同時對小分子有機物的去除效果不理想。這時OMBR應用發展的關鍵問題。

FO膜在污水處理中除了單獨使用外，也常常與其他工藝結合使用。Hancock等[8]將FO系統和RO系統結合，開發了海水淡化-污水處理聯合的工藝。

2.3產業化應用

FO膜分離技術還在緊急制備飲用水以及航空航天飲用水上得到了廣泛的應用。HTI公司開發了諸多種類的便攜式應急飲用水袋，適合在野外旅行和軍隊中使用。原理是將電解質溶液和糖類濃溶液置于FO膜的一側作為汲取液，水源水灌入到FO膜的另一側，在滲透壓作用下水分子進入電解質和糖類溶液，獲得干凈的含糖含電解質飲料，不僅可以在野外給予人體水分，同時也可以補充能量。在航空航天計劃中，飲用水是必不可少又占用質量和體積的元素。美國宇航局設計了一套以FO與RO技術為核心的水循環系統，將太空中產生的生活廢水反復利用，效果和能耗都具有一定的優勢，該技術已經被美國宇航局列為太空用水候選技術[9]。

3　正滲透膜分離技術研究展望

FO技術從發明至今已有幾十年的歷史，然而對其研究和開發存在著很多的不足。從當前的發展情況來看，未來的FO研究將圍繞著以下幾點來展開：

3.1膜材料的研發

通過開發新的膜材料，一方面是提高膜的機械性能以及膜的耐酸耐堿能力，以延長膜使用壽命，降低使用成本。另一方面是提高鹽的截留率，降低膜的厚度，緩解濃差極化現象的發生。機械性能的提高和膜厚度的降低可以說是矛盾的，因此對膜結構的革新改造將是膜材料研究的關鍵。

3.2汲取液的研究

汲取液是FO系統的驅動力源。保證汲取液的驅動壓力是首要因素，在此基礎上開發出回收利用經濟簡單，回收率高的汲取液是目前研究的目標，也是最大的難點之一。

3.3膜污染的解決

盡管FO膜污染情況要遠輕于常規的膜生物反應器，但是膜污染依然是限制其應用水平的一大因素。FO膜結構復雜，其膜污染組成要比普通壓力驅動膜污染更為復雜，這也為數學模型的建立設立了難題。在膜清洗領域同其他膜分離技術相比還缺乏探索。

總的來說，因FO膜存在的各種優勢，隨著今后對其研究的進一步開展，在不遠的將來，必會在水處理領域，以及其他行業得到更為廣泛和深入的應用。

[1]Elimelech M.Yale constructs forward osmosis desalination pilot plant[J].Membrane Technology,2007,(1):7-8.

[2]WangKY,ChungTS,Qin J J.Polybenzimidazole(PBI)nanofiltration hollow fiber membranes applied in forward osmosis process[J]. Journal ofMembrane Science,2007,300(1-2):6-12.

[3]高從堦，鄭根江，汪錳，等.正滲透—水純化和脫鹽的新途徑[J].水處理技術，2008(2):1-4.

[4]Ng H Y,Tang Wanling,Wong W S.Performance of forward direct osmosis process:membrane structure and transport phenomenon[J]. Environmental Science&Technology,2006,40(7):2408-2413.

[5]Anderson D K.Concentration of Dilute Industrial Waste by Direct Osmosis[D].University of Rhode Island，Providence,1977.