正滲透膜分離技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉松山 程經(jīng)國(guó)

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(xiàng)技術(shù)在國(guó)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(xiàng)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(jìn)行了分析論述，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：正滲透膜；研究；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)是運(yùn)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(yùn)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(dòng)溶液相結(jié)合，在海水脫鹽領(lǐng)域運(yùn)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(duì)復(fù)合正滲透膜的制備過程中，研究者們對(duì)五十多種支撐材料進(jìn)行了試驗(yàn)，運(yùn)用相轉(zhuǎn)變法，可達(dá)到1.3W/m2 的性能，如果運(yùn)用強(qiáng)度較高的材料，通過MPD和TMC進(jìn)行界面聚合成膜。在制備復(fù)合膜的時(shí)候，如果運(yùn)用有機(jī)溶劑，則其溶劑很可能去除有機(jī)酸，有機(jī)膜的完整性得到保存的同時(shí)其性能沒有降低。除此之外，對(duì)甲酸對(duì)膜性能的影響程度進(jìn)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(gè)過程中，膜的水通量得到了很大提高同時(shí)水解過程中，會(huì)產(chǎn)生酸和氨基團(tuán)，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(duì)正滲透膜材料及其主要性能進(jìn)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(dòng)溶液

在正滲透技術(shù)中，另外一部分關(guān)鍵內(nèi)容便是對(duì)驅(qū)動(dòng)溶液的選擇，驅(qū)動(dòng)溶液能夠產(chǎn)生滲透壓，因此是一個(gè)具有滲透壓的體系。一種較為理想的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)應(yīng)當(dāng)達(dá)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(dòng)方面具有方便性和經(jīng)濟(jì)性。通常情況下，運(yùn)用最為普遍的驅(qū)動(dòng)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(shì)，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(shì)，因其低能耗、低污染以及高回收等特點(diǎn)在污水處理等領(lǐng)域運(yùn)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(yùn)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(shì)，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(diǎn)。

（一）海水淡化

雖然在上個(gè)世紀(jì)六、七十年代在海水淡化領(lǐng)域就有人提出運(yùn)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(dòng)溶液，所以這個(gè)想法與技術(shù)沒有得到廣泛運(yùn)用?，F(xiàn)階段，膜與驅(qū)動(dòng)溶液的技術(shù)難題已經(jīng)得到解決，國(guó)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(yùn)用進(jìn)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(guó)外學(xué)者將上述系統(tǒng)分成兩段，前者是正滲透膜部分，實(shí)現(xiàn)了海水中淡水向高化學(xué)勢(shì)向低化學(xué)勢(shì)的轉(zhuǎn)化。這種系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)與海水的分離。

后者是驅(qū)動(dòng)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(dòng)溶液經(jīng)過稀釋之后濃度降低為1.5mol/L，相對(duì)于MSF，運(yùn)用FO耗電量可以降低85%，相對(duì)于RO，耗電量可減低72%。在運(yùn)用FO進(jìn)行海水淡化的整個(gè)過程中，耗電量?jī)H為0.25kW.h/m3，比目前運(yùn)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(yùn)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)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(yùn)用，對(duì)液體食品從生產(chǎn)到儲(chǔ)存，的整個(gè)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(duì)那些熱敏性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生及其不利的影響，存在破壞食品口感和營(yíng)養(yǎng)成分的可能性，并且能耗非常高，這些缺陷限制了其運(yùn)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(jià)值也很有限。

FO技術(shù)所運(yùn)用的膜具有納米或者微米級(jí)別的孔，合理運(yùn)用這一特征，能夠通過膜孔的直徑進(jìn)行控制來對(duì)物質(zhì)的擴(kuò)散速度進(jìn)行改變，制造出擴(kuò)散控制的藥物運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)藥物釋放實(shí)踐進(jìn)行延長(zhǎng)，從而定點(diǎn)、定量地將藥物運(yùn)輸至體內(nèi)。為了將這一事件更好地延長(zhǎng)，美國(guó)ALzet公司于上世紀(jì)七十年代設(shè)計(jì)了滲透泵，這個(gè)滲透泵能夠憑借一個(gè)小孔將釋放速率降至最低，藥物持續(xù)釋放時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)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(yùn)用。與此同時(shí)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(xiàng)具有超強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)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(shí)驗(yàn)階段，距離在化工領(lǐng)域的運(yùn)用以及在對(duì)主流的水處理技術(shù)取而代之的目標(biāo)仍然有很長(zhǎng)一段路。FO技術(shù)由于其運(yùn)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(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用，解決膜材料的設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)際生產(chǎn)需要對(duì)FO材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，是正滲透膜技術(shù)得以廣泛運(yùn)用的前提條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]逯鵬.抗污染性正滲透膜的研制及其在海水淡化中的應(yīng)用[D].濟(jì)南大學(xué)，2014.

[2]楊建華.二醋酸纖維素/三醋酸纖維素共混正滲透膜的制備與性能研究[D].濟(jì)南大學(xué)，2014.

[3]劉蕾蕾，王鐸，汪錳，高從堦.三醋酸纖維素正滲透膜制備過程中影響因素的研究[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2011，01：77-83.