正滲透技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

摘要：正滲透技術(shù)作為一種以滲透壓差作為驅(qū)動力的膜技術(shù)，在近十年受到越來越廣泛的關(guān)注，其具有的潛在優(yōu)勢是其受到持續(xù)關(guān)注的主要原因。然而在這些研究與應(yīng)用中，通常將正滲透與其他技術(shù)組合成正滲透混合系統(tǒng)加以應(yīng)用。文章針對正滲透混合系統(tǒng)在水處理中應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為正滲透技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：正滲透；膜分離；驅(qū)動液；污水處理；滲透壓差 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ3 文章編號：1009-2374（2016）29-0088-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.039

人口的持續(xù)快速增長已經(jīng)使得對全球水和能源的可持續(xù)性問題備受關(guān)注。由于目前凈水的生產(chǎn)仍然是能量密度非常高的過程，因此如何在低耗能的前提下滿足不斷增長的用水需求是本世紀(jì)面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

正滲透（FO）技術(shù)作為一種新興的膜分離技術(shù)在過去的十年間受到了來自科研和工業(yè)開發(fā)領(lǐng)域越來越廣泛的關(guān)注。FO是通過自然的滲透作用將水分子從半透膜一側(cè)的含鹽溶液中提取到膜另一側(cè)的高濃度驅(qū)動液（DS）中。由于是由膜兩邊的滲透壓差提供驅(qū)動力，F(xiàn)O技術(shù)可以克服例如反滲透（RO）等水壓驅(qū)動膜分離過程的不足。然而，F(xiàn)O技術(shù)同樣也面臨一些主要的技術(shù)障礙，如缺少為FO專門設(shè)計的膜材料、驅(qū)動液的回收及再濃縮等。研究者還指出FO僅僅在不需要對驅(qū)動液進(jìn)行進(jìn)一步處理的情況下才是一種低能耗的過程，因此現(xiàn)存的FO是一個低能耗過程的概念是具有誤導(dǎo)性的。雖然成功實(shí)現(xiàn)FO技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用仍然需要克服一些挑戰(zhàn)，但近年來在該領(lǐng)域的研究成果也頗為豐富，本文綜述FO技術(shù)在水處理領(lǐng)域內(nèi)最新的研究及應(yīng)用進(jìn)展，特別是FO技術(shù)和其他水處理技術(shù)的組合應(yīng)用將重點(diǎn)關(guān)注。

1 正滲透原理

在FO過程中，水通過半透膜從溶質(zhì)濃度較低的原料液（FS）側(cè)滲透到濃度高的DS側(cè)，而溶質(zhì)分子或者離子不能通過該半透膜，從而實(shí)現(xiàn)水和溶質(zhì)的分離，驅(qū)動力是膜兩側(cè)溶液的化學(xué)勢之差。過程中，水不斷滲透到DS側(cè)，其濃度逐漸被稀釋，即滲透壓逐漸減小，與此同時FS側(cè)的濃度則逐漸增加，即其滲透壓逐漸增大，當(dāng)膜兩邊的滲透壓差與液面位差相等時過程結(jié)束。實(shí)際上，雖然FO不需要外加壓力，但仍用FO膜兩側(cè)的滲透壓差來描述該過程的驅(qū)動力。而RO的驅(qū)動力為外加壓力與滲透壓之差，如圖1所示即為FO與RO原理示意圖。

2 膜通量正滲透技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

2.1 在海水及含鹽水淡化中的應(yīng)用

最早將FO技術(shù)應(yīng)用于海水即含鹽水淡化的報道要追溯到1965年由Batchelder申請的專利，但由于受到膜材料和DS的限制，F(xiàn)O技術(shù)在過去幾十年間一直未能受到廣泛的關(guān)注。而最近十幾年來，由于膜材料技術(shù)的迅猛發(fā)展以及水與能源形勢的日趨嚴(yán)峻，使FO海水及含鹽水淡化技術(shù)獲得了難得的發(fā)展良機(jī)。較早的一些報道中主要使用一定濃度的NaCl溶液來模擬海水進(jìn)行研究，重點(diǎn)關(guān)注的是水的通量、鹽截留率、DS以及膜的抗污染性能等因素，而對過程的能耗較少關(guān)注，僅McGinnis等通過軟件模擬對比了FO與多級閃蒸（MSF）以及RO的電能消耗，并認(rèn)為FO更加節(jié)能。

然而，Shaffer等指出FO僅在不考慮DS再生的情況下才是一種低能耗的過程，現(xiàn)存的正滲透過程是一個低能耗過程的概念具有誤導(dǎo)性。如果能夠利用低品位的熱能進(jìn)行FO的后續(xù)分離過程，則可以認(rèn)為整個FO系統(tǒng)是能量消耗較低的。例如，使用可以熱分解的氨-二氧化碳溶液作為DS，由于該溶質(zhì)的揮發(fā)性大，在DS再生過程利用低品位熱能可以很容易地將溶質(zhì)去除。另外也可以將FO和膜蒸餾（MD）組成混合系統(tǒng)來進(jìn)行含鹽水的淡化。在FO-MD混合系統(tǒng)中，F(xiàn)O可以減緩膜蒸餾過程中的有機(jī)物污染以及礦物質(zhì)結(jié)垢等不利影響因素，同時膜分離過程可以通過使用低品位熱來對DS進(jìn)行再生。FO技術(shù)和其他技術(shù)組成的混合系統(tǒng)將獲得比任何水處理技術(shù)單獨(dú)使用都更加理想的效果。近年來，研究者們對混合系統(tǒng)用于DS回收以及將FO技術(shù)作為先進(jìn)前處理工藝等方向的關(guān)注度較高。

在DS回收方面，McCutcheon等開發(fā)了一種以可熱分解的NH4HCO3為溶質(zhì)的新型DS，將其用于由FO脫鹽過程和DS熱分解回收過程組成的混合脫鹽系統(tǒng)。他們通過模擬計算發(fā)現(xiàn)該混合脫鹽過程可以達(dá)到64%的水回收率，F(xiàn)O的電能消耗為0.25kWh/m3，但其DS回收過程的能耗達(dá)到75kWh/m3，并且DS溶質(zhì)的高反向滲透率使產(chǎn)品水中氨殘留較高。

為了應(yīng)對可熱解回收DS存在的上述問題，研究者們開發(fā)了若干種替代的DS，并將其用于含鹽水淡化進(jìn)行測試。例如，Yen等使用基于2-甲基咪唑有機(jī)化合物DS用于FO-MD混合脫鹽系統(tǒng)，獲得8L/m2·h的膜通量，但DS溶質(zhì)的反向通量明顯，達(dá)到80g/m2·h，且該化合物制備成本很高。Guo等使用FO-MD混合系統(tǒng)對功能化Na+碳量子點(diǎn)（Na-CQDs）DS的淡化性能進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，用于DS再生的MD過程的操作溫度僅45℃，經(jīng)過5個周期的運(yùn)行，該系統(tǒng)仍然能夠維持3.5L/m2·h的膜通量，并且DS溶質(zhì)的反向滲透可以忽略。以磁性納米顆粒（MNPs）為溶質(zhì)的新型DS展現(xiàn)出良好的含鹽水淡化潛能。Oriard等率先提出FO-磁場混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用親水性MNPs作為DS，但其研究不夠深入。Chung及其同事們成功地將上述混合系統(tǒng)用于含鹽水淡化中，獲得了18L/m2·h的膜通量，并且由于MNPs粒徑較常規(guī)溶質(zhì)更大地降低了溶質(zhì)反向滲透，但MNPs在強(qiáng)磁場中有明顯的團(tuán)聚傾向，這顯著降低了FO性能。最近，報道了一種聚合物水凝膠DS以及與其相匹配的創(chuàng)新性DS回收方式。這類聚合物水凝膠可以對諸如壓力、溫度或光亮等環(huán)境因素的刺激做出反應(yīng)，從而吸取或者釋放水而達(dá)到凈化水的目的。將聚合物水凝膠與吸光的碳顆粒組合使其具備在強(qiáng)度為1.0kW/m2的太陽光照射下的脫水能力。由于聚合物水凝膠可以使用太陽能替代常規(guī)的DS加熱再生過程，使得整個過程的能量消耗得到顯著降低。

在將FO作為先進(jìn)前處理工藝的應(yīng)用方面，主要關(guān)注FO與RO所組成的混合系統(tǒng)。Yangali-Quintanilla等研究了FO和低壓反滲透（LPRO）組成的混合系統(tǒng)對紅海海水的淡化性能。結(jié)果顯示，該FO-LPRO混合系統(tǒng)的能耗為1.3～1.5kWh/m3，為單獨(dú)使用高壓海水反滲透過程能耗的一半左右。單獨(dú)使用RO不能有效去除水中溶解的痕量有機(jī)物（TrOCs）和硼，因此產(chǎn)品水不能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。而使用FO-RO混合系統(tǒng)能夠得到高達(dá)99%的TrOCs截留率。若對FO的原料液側(cè)外加壓力，并與RO組成壓力輔助正滲透-反滲透混合系統(tǒng)（PAFO-RO），由于該系統(tǒng)外加壓力的存在，使FO突破滲透平衡限制而進(jìn)一步稀釋DS，從而降低了RO過程的能耗以及膜污染。Blandin等的研究顯示，由于PAFO-RO混合系統(tǒng)有著更高的膜通量以及更低的DS溶質(zhì)反向滲透，其純水的回收率高于FO-RO混合系統(tǒng)，并且其總成本也明顯低于后者。

多級閃蒸（MSF）以及多效蒸發(fā)（MED）是中東國家廣泛使用的海水淡化技術(shù)。這類技術(shù)的原料水前處理工藝要求較為苛刻，結(jié)垢是此類熱過程面臨的首要問題，必須通過前處理去除原料水中的有機(jī)物以及可溶液的固體雜質(zhì)才能有效抑制結(jié)垢的產(chǎn)生。納濾曾被建議作為MSF及MED的前處理工藝，但由于需要外加壓力，操作費(fèi)用較高，膜污染的問題也較為嚴(yán)重。Altaee等對FO-MSF及FO-MED混合系統(tǒng)用于海水淡化的模擬研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)O作為前處理工藝顯著地降低了原料水中的多價離子濃度，不僅有效抑制了結(jié)垢，還使后續(xù)過程的運(yùn)行溫度更高，且產(chǎn)品水的回收率也有所提高。

2.2 在污水處理中的應(yīng)用

由于膜生物反應(yīng)器（MBR）比傳統(tǒng)污水處理工藝有著更優(yōu)秀并且更穩(wěn)定的性能，正逐漸成為廣受喜愛的污水凈化技術(shù)。MBR通常由微濾（MF）或超濾（UF）等這類低壓膜過程組成，而微濾膜和超濾膜對如痕量有機(jī)物、離子、病毒等低分子量的污染物的截留率較低。此外，生物膜反應(yīng)器的缺點(diǎn)還有能量消耗較傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)更高、膜污染嚴(yán)重需要經(jīng)常清洗和更換等。近年來，許多研究者著眼于用FO替代MBR中的MF以及UF的可行性，力圖克服其不足。滲透膜生物反應(yīng)器（OsMBR）具有諸如低能耗、抗膜污染能力強(qiáng)、對離子及TrOCs截留率高等眾多優(yōu)勢。OsMBR通常使用高濃度鹽水或者預(yù)處理過的海水作為DS。在一些研究中，研究者們將反滲透過程與OsMBR組成混合系統(tǒng)，利用反滲透過程來再生稀釋后的DS，并生產(chǎn)產(chǎn)品水。

盡管OsMBR具有一些得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，但研究表明其主要不足是溶質(zhì)及其他可溶解物會在原料液側(cè)的逐步累積。此外，由于DS溶質(zhì)反向滲透現(xiàn)象的存在，溶質(zhì)也會在反應(yīng)器內(nèi)累積。這些物質(zhì)的累積將降低FO膜兩側(cè)滲透壓差而導(dǎo)致膜通量的降低，并且微生物活性也會受到抑制。Wang等以及Holloway等提出一種將MF或者UF過程與FO并聯(lián)再與MBR整合的混合系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的MF/UF膜組件能夠連續(xù)不斷地從反應(yīng)器中去除可溶解成分以及氮、磷等有益營養(yǎng)成分，還能降低生物反應(yīng)器中的鹽濃度，從而提高微生物的活性，并最終提升活性污泥對總有機(jī)碳（TOC）以及NH3-N的去除效果。UF-OsMBR-RO混合系統(tǒng)長達(dá)4個月的長周期實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)開啟UF膜組件時，系統(tǒng)的通量可以穩(wěn)定在4.8L/m2?h超過80天，并且在124天的操作周期內(nèi)不需要對膜組件進(jìn)行清潔。此外，該混合系統(tǒng)總氮、總磷的平均去除率以及化學(xué)需氧量分別高于82%、99%、96%，并能產(chǎn)生符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品水。這些優(yōu)勢足以彌補(bǔ)因增加超濾組件導(dǎo)致的投資和操作費(fèi)用增加。

3 結(jié)語

正滲透技術(shù)以滲透壓差作為分離過程的驅(qū)動力，促使其具有許多潛在的優(yōu)勢，尤其是對包含F(xiàn)O的混合系統(tǒng)而言，在其優(yōu)勢得到有效發(fā)揮的同時可以盡量避免其不足。正如本綜述中所提及的由FO和膜蒸餾組成的混合系統(tǒng)能夠降低總能耗，特別是有太陽能、工業(yè)廢熱等低成本能源可以利用的時候，這種優(yōu)勢就更加明顯。然而從實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的角度來看，該混合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用還需要克服諸如膜孔潤濕及原料回收率低等不足。

將FO技術(shù)作為先進(jìn)前處理工藝應(yīng)用于脫鹽混合系統(tǒng)可以有效地降低結(jié)垢以及膜污染，這源自于FO膜出色的抗膜污染性能以及膜污染可逆性。然而仍然需要開發(fā)具有長效抗膜污染性能的新型膜材料，才能使由FO作為前處理的混合系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用前景。

為了克服以熱分解鹽作為溶質(zhì)的驅(qū)動液的缺陷，開發(fā)出許多具有新穎的驅(qū)動液，諸如以磁性納米顆粒作為溶質(zhì)的驅(qū)動液以及一種聚合物水凝膠驅(qū)動液。這些新型驅(qū)動液成功地應(yīng)用于不同的FO混合系統(tǒng)中。這些驅(qū)動液展現(xiàn)出高膜通量、低溶質(zhì)反向滲透等優(yōu)點(diǎn)，但其不足也是較為顯著的。需要對這些驅(qū)動液的性能進(jìn)行進(jìn)一步的改良，以增長使用壽命，改進(jìn)制備工藝以及進(jìn)一步提高膜通量。在以上問題解決之前，這些具有創(chuàng)新性的驅(qū)動液距離實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用還有較長的路要走。

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作者簡介：侯璟鑫（1984-），男，黑龍江佳木斯人，惠生工程（中國）有限公司研發(fā)工程師，博士，研究方向：化學(xué)工藝。

（責(zé)任編輯：王 波）