正滲透有機汲取液的實驗研究

摘要：確定正滲透有機汲取液的最優組合與最佳配比，探究有機汲取液滲透性能的穩定性與處理工藝的可行性。以乙醇、葡萄糖、聚乙二醇為基礎配制3種有機汲取液，對3種汲取液的水通量、反向溶質通量、特定水通量在2種不同膜朝向下的變化情況進行考察。結果表明：性能最優的有機汲取液為1 mol·L-1的葡萄糖溶液；有機汲取AL-DS模式下的水通量與反向溶質通量大多大于AL-FS模式。

關鍵詞：正滲透；有機汲取液；水通量；反向溶質通量

中圖分類號：X703文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）02-0197-03

正滲透具有無需外壓、能耗低、截留率高、膜污染低等特點，作為一種新興的水處理技術備受青睞。正滲透技術在海水淡化、食品濃縮、制藥工業、發電等領域中有望完全替代現有的反滲透技術，用于滲透性藥物輸送及藥物產品濃縮或富集等物料分離環節。因此，正滲透技術有著巨大的應用潛力[1-8]。正滲透技術中汲取液產生的反向溶質通量與滲透壓對膜通量和截留率的影響極大[9-10]，而這兩點恰是水處理工程中評判正滲透工藝可行性的重要指標，所以對汲取液的選擇與配比優化極為關鍵。理想的汲取液具備水通量大、反向溶質通量小、無毒、易回收、運行成本低等優點。正滲透汲取液如果不再必須經過過濾分離而直接回用，其經濟性將會得到巨大的提升。

目前，國內外對可直接回用汲取液的研究較少，對可直接回用有機汲取液的研究更少，PHUNTSHO 等[11]以化肥為汲取液進行正滲透海水淡化處理，并提出稀釋的汲取液可直接用于灌溉農田，為汲取液的處理提供了一個全新的方法。由于相對分子質量較小的汲取液比同等質量的相對分子質量較大的汲取液所能提供的滲透壓更大，而電離狀態下相對分子質量較小的汲取液更易通過膜孔造成反向滲透，所以學者開始將目光轉向分子大滲透壓高的有機汲取液，以期得到性能更佳的汲取液。

有機汲取液具有結構簡單、正滲透規律相對明朗、價廉易獲取、濃度恢復影響因素少等優點，因此其應用最廣泛[12]。有機汲取液的滲透壓并不隨溶解度升高而持續加大，可以通過其范式公式來推斷作為正滲透汲取液的滲透壓與溶解度的關系，一般來說相對分子質量越大單位質量的汲取液滲透壓越高[13]。滲透壓與正滲透過程中水通量成正向相關，但實際運行中滲透壓較大的出水量也不穩定；大相對分子質量汲取液有著較大的滲透壓，其反向溶質通量卻較小[14-15]。筆者在此基礎上配制3種有機汲取液，優選出性能最佳濃度配比，并對正滲透性能進行比對分析。

1實驗部分

1.1材料及儀器

采用聚酰胺涂層的復酰胺作為正滲透膜，膜親水好，有效面積為0.001 m2，pH為2～11；離子液為乙醇、葡萄糖、聚乙二醇。

主要儀器：電子天平、JJ-1精密增力磁力攪拌器、SX823便攜式雙參數pH/電導率儀、膜組件。

1.2實驗過程

有機汲取液以乙醇、葡萄糖、聚乙二醇為原料進行配制。由于不同膜朝向下溶質對膜的污染程度不同，因此依照不同濃度與膜朝向設計了3組實驗。A組為1.0 mol·L-1與1.2 mol·L-1的葡萄糖，B組為無水乙醇與95%乙醇，C組為2.8 mol·L-1的聚乙二醇200與2.25 mol·L-1的聚乙二醇200。在溫度為20 ℃、流速20 cm·s-1的條件下，測定A、B、C組有機汲取液在AL-DS與AL-FS 2種膜朝向下的水通量、反向溶質通量，并計算特定水通量。

1.3水通量和反向溶質通量計算

水通量是評價正滲透膜性能的重要指標，指單位時間內在單位膜面積上透過的水量。用精密天平稱量汲取液的質量，水通量計算方法如式（1）所示。

J_w=（m_t-m_0）/A?tρ （1）

式中：JW—水通量，L·m-2·h-1或LMH；

mt、m0—t、0時刻汲取液質量，g；

A—膜的有效面積，1×10-3 m2；

△t—2次測量時間間隔，h；

ρ—水的密度，即1 kg·m-3。

汲取過程中，汲取溶質會通過膜反滲進原料液，這一過程稱為鹽返混，而反滲的汲取質稱為反向溶質，單位時間內其在單位膜面積下的變化量稱為反向溶質通量，計算公式如式（2）所示。其中，溶質濃度用電導率儀測定溶解性固體總量表示[9]。

J_s=（C_t （V_0-J_w A?t）-C_0 V_0）/A?t（2）

式中：Js—反向溶質通量，g·m-2·h-1或gMH；

△t—2次測量時間間隔，h；

C0、Ct—t、0時刻原料液TDS，g·L-1；

Jw——水通量，L·m-2·h-1或LMH；

A—膜的有效面積，1×10-3 m2。

2實測水通量和反向溶質通量

在汲取液與原料溶液中，由于小分子易附著于膜孔內，大分子易附著于膜表面上，使得膜兩邊存在較大滲透壓差，出現濃差極化現象，導致理論水通量與實際測量值不同。

根據式（1）、式（2）得到水通量與反向溶質通量，反向溶質通量與水通量的比值為特定水通量。汲取液的水通量如圖1所示，反向溶質通量如圖2所示，特定水通量如圖3所示。其中，a、b組為葡萄糖，c、d組為乙醇，e、f組為聚乙二醇200，1號為AL-DS，2號為AL-FS。

由圖1至圖3可以看出，3組汲取液的水通量均超20 L·m-2·h-1；反向溶質通量除a1外，均小于 20 g·m-2·h-1。A組葡萄糖汲取液理論水通量分別為28.66、23.94、27.68、25.64 L·m-2·h-1；B組乙醇汲取液理論水通量分別為24.18、25.64、26.24、 28.46 L·m-2·h-1；C組聚乙二醇汲取液理論水通量分別為27.24、25.02、23.52、22.90 L·m-2·h-1。理論反向溶質通量分別為21.5、15.0、19.0、15.0、16.0、8.0、9.0、5.0、9.0、5.0、16.0、15.5 g ·m-2·h-1。A、B、C 3組的水通量實測值皆大于其理論值。a1組的反向溶質通量實際測量值大于其理論值，其余組的反向溶質通量實際測量值均小于其理論值。3組汲取液的特定水通量較小；A組的特定水通量遠大于B、C組特定水通量的平均值。

水通量和特定水通量分別表示出水效率和出水質量，能更為直觀地表現正滲透汲取液的性質。A組汲取液擁有較大水通量，其特定水通量也極大，超過B、C組1倍，大分子溶質在正滲透過程中發生拮抗作用，加速離子從汲取液側往膜孔中擴散。f組雖然水通量較小，相對而言，正滲透性能不夠優異，但是特定水通量較大，且C組的水通量實測值與理論值持平，A、B、C 3組的水通量實測值均大于理論值；A、C兩組的反向溶質通量實測值大于理論值，B、C兩組的反向溶質通量實測值小于理論值。A、B、C 3組汲取液中B、C兩組既具有大分子汲取液的高水通量，同時也具有大分子汲取液的低鹽反滲，性能十分優異。因此，a1組葡萄糖汲取液效果最佳。

在水通量、特定水通量差距不大時，工程應用時要考慮汲取液的經濟性。以某公司的分析純試劑進行簡單對比，葡萄糖的單價為每克0.02元，乙醇為每毫升0.05元，聚乙二醇為每克0.88元，經過計算，b2組和c2組汲取液最具經濟性。

3結 論

最優的有機汲取液為1 mol·L-1葡萄糖，其既表現出大分子有機汲取液的高水通量，同時也具有大分子汲取液的低鹽反滲，性能優異。有機汲取液在AL-DS模式下的水通量與反向溶質通量大于AL-FS模式下。

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Experimental Study on Organic Extraction Solution

ZHAO Yang1， LIU Xiaofan2， YU Taoming1

（1. Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110000， China;

2. Shenyang Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract： The optimal combination and ratio of organic extraction solution were determined， and the stability of permeability of organic extraction solution and the feasibility of treatment process were explored. Three organic extraction solutions were prepared from ethanol glucose， and polyethylene glycol. The water flux， reverse solute flux， and specific water flux of the three extraction solutions were measured in two different membrane directions. The results showed that the best performing organic extraction solution was 1 mol·L-1 glucose solution; the water flux and reverse solute flux in the organic extraction AL-DS mode were mostly greater than those in the AL-FS mode.

Key words： Forward osmosis; Organic extraction solution; Water flux; Reverse solute flux