正滲透膜分離技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉松山 程經(jīng)國

摘要：在水資源和環(huán)境問題日益突出的背景下，正滲透膜技術(shù)作為一種綠色能源技術(shù)為上述問題提供了低能耗和高效率的解決方案。目前，這項技術(shù)在國內(nèi)外廣受推崇，探索研究工作取得豐碩的成果。本文就這項技術(shù)在海水淡化、綠色能源、污水回用等領(lǐng)域的應(yīng)用進行了分析論述，并對其發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：正滲透膜；研究；應(yīng)用

中圖分類號：X703 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（b）-0000-00

正滲透（FO）也被稱為滲透，是普遍存在于自然界的現(xiàn)象。FO技術(shù)的特點是運用兩種化學(xué)溶液的化學(xué)位或者滲透壓方面的差異，不需要另外施加壓力。運用FO技術(shù)中水在半透膜中的自發(fā)性、選擇性的傳遞性質(zhì)，與循環(huán)性能極佳的驅(qū)動溶液相結(jié)合，在海水脫鹽領(lǐng)域運用極為廣泛。

一、正滲透膜材料

（一）用于減壓滲透的復(fù)合正滲透膜

在對復(fù)合正滲透膜的制備過程中，研究者們對五十多種支撐材料進行了試驗，運用相轉(zhuǎn)變法，可達到1.3W/m2 的性能，如果運用強度較高的材料，通過MPD和TMC進行界面聚合成膜。在制備復(fù)合膜的時候，如果運用有機溶劑，則其溶劑很可能去除有機酸，有機膜的完整性得到保存的同時其性能沒有降低。除此之外，對甲酸對膜性能的影響程度進行了考察，甲酸能夠水解正滲透膜表面的聚酰胺，使其轉(zhuǎn)化為分子顆粒較小的聚合物，并與膜分離溶解于水中，在這個過程中，膜的水通量得到了很大提高同時水解過程中，會產(chǎn)生酸和氨基團，二者能夠重新排列組合成為一體，在膜通量提升的過程中，截留率保持在95%左右的水平。表1對正滲透膜材料及其主要性能進行了列舉。從表中可以看出，PBI中空纖維FO是一種具有高通量的材料。

（二）驅(qū)動溶液

在正滲透技術(shù)中，另外一部分關(guān)鍵內(nèi)容便是對驅(qū)動溶液的選擇，驅(qū)動溶液能夠產(chǎn)生滲透壓，因此是一個具有滲透壓的體系。一種較為理想的驅(qū)動溶質(zhì)應(yīng)當(dāng)達到下列標(biāo)準(zhǔn)：1）在水環(huán)境中為了產(chǎn)生理想的滲透壓，應(yīng)當(dāng)具備高溶解度和小分子量。2）具有無毒害性以至于可以在水中安全存在。3）與正滲透膜在化學(xué)反應(yīng)上能夠兼容，二者不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4）在透水分離和溶液驅(qū)動方面具有方便性和經(jīng)濟性。通常情況下，運用最為普遍的驅(qū)動溶液是Nacl，Nacl在溶解性、可循環(huán)性、無結(jié)垢性等方面具有突出優(yōu)勢，但是Nacl具有分離困難的弊端。

二、在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用

FO在綠色環(huán)保方面具有突出的優(yōu)勢，因其低能耗、低污染以及高回收等特點在污水處理等領(lǐng)域運用潛力非常大。正滲透技術(shù)在發(fā)電、工業(yè)廢水處理、食品、航天等領(lǐng)域具有很大的運用潛力，正滲透技術(shù)還憑借其在抗污染及其低能耗方面的突出優(yōu)勢，在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)工藝中也廣受推崇，它與其他技術(shù)手段緊密結(jié)合，正在形成性的創(chuàng)新點。

（一）海水淡化

雖然在上個世紀(jì)六、七十年代在海水淡化領(lǐng)域就有人提出運用正滲透膜的理念，但是受制于關(guān)鍵技術(shù)，例如膜和驅(qū)動溶液，所以這個想法與技術(shù)沒有得到廣泛運用。現(xiàn)階段，膜與驅(qū)動溶液的技術(shù)難題已經(jīng)得到解決，國外相關(guān)專與學(xué)者在海水脫鹽領(lǐng)域?qū)φ凉B透膜的運用進行了綜合而系統(tǒng)地研究，并且研發(fā)了一種新型系統(tǒng)。國外學(xué)者將上述系統(tǒng)分成兩段，前者是正滲透膜部分，實現(xiàn)了海水中淡水向高化學(xué)勢向低化學(xué)勢的轉(zhuǎn)化。這種系統(tǒng)中的驅(qū)動液選取混合銨鹽，混合銨鹽具有理想的滲透壓，能夠較為便捷地實現(xiàn)與海水的分離。

后者是驅(qū)動溶液的回收部位，提取于海水中的水稀釋銨鹽溶液，然后在宜的溫度下（60℃左右），通過加熱，銨鹽被分解為銨和CO2，通過循環(huán)使用最后剩余的便是稀鹽水，通過柱狀蒸餾即可獲取純凈水。通過軟件模擬可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動溶液經(jīng)過稀釋之后濃度降低為1.5mol/L，相對于MSF，運用FO耗電量可以降低85%，相對于RO，耗電量可減低72%。在運用FO進行海水淡化的整個過程中，耗電量僅為0.25kW.h/m3，比目前運用最廣泛的脫鹽技術(shù)的能耗降低1.6-3.02kW.h/m3。在現(xiàn)階段FO運用于海水脫鹽領(lǐng)域已經(jīng)處于中試階段。

（二）食品和醫(yī)藥方面

FO技術(shù)具有顯著的操作低溫低壓性，這項優(yōu)勢與上文中論述的低能耗、低污染特性相結(jié)合，使得FO技術(shù)在液體食品濃縮領(lǐng)域得到了廣泛運用，對液體食品從生產(chǎn)到儲存，的整個過程都非常有利。在該領(lǐng)域傳統(tǒng)的方式為熱處理法，濃縮模式包括真空蒸發(fā)和冷凍，然而前者對那些熱敏性物質(zhì)會產(chǎn)生及其不利的影響，存在破壞食品口感和營養(yǎng)成分的可能性，并且能耗非常高，這些缺陷限制了其運用范圍。反滲透法的膜很容易遭到污染，并且濃縮程度不太理性，因此使用范圍與價值也很有限。

FO技術(shù)所運用的膜具有納米或者微米級別的孔，合理運用這一特征，能夠通過膜孔的直徑進行控制來對物質(zhì)的擴散速度進行改變，制造出擴散控制的藥物運輸系統(tǒng)對藥物釋放實踐進行延長，從而定點、定量地將藥物運輸至體內(nèi)。為了將這一事件更好地延長，美國ALzet公司于上世紀(jì)七十年代設(shè)計了滲透泵，這個滲透泵能夠憑借一個小孔將釋放速率降至最低，藥物持續(xù)釋放時間可以長達一年。

二、 正滲透技術(shù)展望

FO是一種新型的膜技術(shù)，在工業(yè)廢水處理、發(fā)電、航天工業(yè)等領(lǐng)域正在逐漸深入與滲透。在現(xiàn)階段，F(xiàn)O技術(shù)還很難與傳統(tǒng)的水處理技術(shù)，即反滲透技術(shù)相抗衡。但是FO技術(shù)過程與材料在環(huán)保性等方面具有無可比擬的優(yōu)越性，正在工業(yè)污水、航天工業(yè)等領(lǐng)域得到認(rèn)可與運用。與此同時FO技術(shù)已經(jīng)處于中試階段，相信在不就的將來，F(xiàn)O必將成為一項具有超強競爭力的綠色能源技術(shù)。

在現(xiàn)階段，F(xiàn)O技術(shù)絕大部分還處于理論實驗階段，距離在化工領(lǐng)域的運用以及在對主流的水處理技術(shù)取而代之的目標(biāo)仍然有很長一段路。FO技術(shù)由于其運用過程中存在著特別嚴(yán)重的內(nèi)濃差極化現(xiàn)象，在海水淡化和食品加工領(lǐng)域，F(xiàn)O技術(shù)通量不太理想，因此FO技術(shù)要想在市場中得到廣泛應(yīng)用，解決膜材料的設(shè)計和制備是前提條件。FO材料抗污染性佳，但是其化學(xué)和物理原理與機制尚不明確，這方面需要更加深入地探討與研究。目前FO技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域還相當(dāng)有限，如何結(jié)合實際生產(chǎn)需要對FO材料進行設(shè)計，是正滲透膜技術(shù)得以廣泛運用的前提條件。

參考文獻：

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