1、匯報人：彭乾正滲透(forward osmosis，簡稱FO)是濃度驅動的膜技術，指水通過選擇性滲透膜從高水化學勢區域向低水化學勢區域的傳遞過程。在具有選擇透過性膜的兩側分別放置兩種具有不同滲透壓的溶液，一種為具有較低滲透壓的原料液(Feed solution)，另一種為具有較高滲透壓的驅動溶液(Draw solution)，正滲透正是應用了膜兩側溶液的滲透壓差作為驅動力，才使得水能自發地從原料液一側透過選擇透過性膜到達驅動液側。由于正滲透具有無需外加壓力、截留率高、產水質量高、膜污染低、能耗低、濃水排放少等優點，而被廣泛應用于海水淡化、海水發電、水純化、廢水處理、垃圾滲出液處理、液體食品濃縮

2、和藥物釋放等方面。目前，正滲透技術在國內外受到越來越多的關注和重視。其研究熱點主要集中在正滲透膜的制備。醋酸纖維素因其較好的親水性、化學穩定性及良好的成膜性，已經成功地用于制備納濾膜和反滲透膜。本研究以醋酸纖維素(CA)為成膜材料，以聚酯篩網為支撐材料來制備正滲透膜，研究了聚合物濃度、環境濕度、凝膠浴溫度、熱處理溫度對正滲透膜性能及形態結構的影響，以達到優化制膜條件制備性能優良的正滲透膜的目的。原料及設備實驗原料：醋酸纖維素，MW=100000；三醋酸纖維素；1,4-二氧六環，分析純；丙酮，分析純；甲醇，分析純；乳酸，分析純；氯化鈉，分析純；葡萄糖，分析純。實驗設備：電子分析天平PL3002；

3、電導率儀，雷磁DDS-307A；電熱恒溫水浴槽Dk-8B；千分尺式薄膜測厚儀CH-1-ST；蠕動泵WT600-2J；冷場發射掃描電子顯微鏡S-4800。醋酸纖維素正滲透膜的制備將烘干的CA加入到一定體積比的1,4-二氧六環、丙酮、甲醇及乳酸的混合液中，在室溫下攪拌溶解、靜置24h以上使其完全脫泡。用刮刀在支撐材料上手工刮制成一定厚度的膜，在一定溫度和濕度下，讓溶劑揮發30s后，浸入到不同溫度的去離子水中使其凝膠，得到非對稱膜，凝膠2h以上，再在不同溫度水浴中熱處理10min，用去離子水充分清洗后放入1%亞硫酸氫鈉溶液中保存備用。膜性能測試正滲透膜性能評價裝置如圖1所示，膜的有效面積為62.64

4、cm2，原料液為0.1mol/LNaCl，汲取液為4mol/L葡萄糖，分離層朝向原料液。通過蠕動泵調節原料液和汲取液的流速均為45L/h。水通量Jw(L/(m2h)可以通過測量FO運行過程中汲取液質量的變化用式（1）計算得到：（1）W為汲取液質量的增加，kg；為水的密度，kg/m3；S為膜的有效面積，m2；t為運行時間，h。tJWSW截留率通過式（2）來計算：（2）式中，Cp為透過液中鹽的濃度mg/L；Cf為初始原料液中鹽的濃度，mg/L。Cp可以通過電導率儀來測得。fp1CCR圖1 實驗室正滲透膜性能評價裝置示意圖在膜材料確定的前提下，膜的性能取決于膜的結構，而膜的結構又受制備條件（工藝參數

5、）的影響。本研究采用相轉化法制備了厚度約為110m的醋酸纖維素正滲透膜，從聚合物濃度、環境濕度、凝膠浴溫度、熱處理溫度等方面考察了其對膜結構和性能的影響。膜形態結構如圖2所示。 (a)表面 (b)斷面 圖2 醋酸纖維素正滲透膜的表面(a)和斷面(b)SEM圖圖2所示為醋酸纖維素正滲透膜的表面和斷面結構圖，可以清楚地看到膜表面致密光滑以及聚酯篩網的輪廓，從斷面中可以看到該膜由很薄的皮層和多孔的支撐層構成，而聚酯篩網正好嵌入其中。聚合物濃度的影響用相轉化法制成的單一聚合物非對稱膜，其表皮層具有3類孔：聚合物網絡孔、聚合物膠束聚集體孔及液（溶劑相）液（非溶劑相）相分離孔。聚合物濃度會影響膜中孔的結構

6、。實驗中選取了10.4%、13.9%、17.4%（體積分數）的CA進行了研究，其它實驗條件：環境濕度為90%；凝膠浴條件，15去離子水；熱處理條件，60處理10min。結果如圖3所示。 水通量(a) 截留率(b)圖3 不同CA濃度對正滲透膜水通量(a)和截留率(b)的影響 從圖3可以看出，CA聚合物濃度越高，通量越小，而截留率越高。這可能是由于聚合物濃度的增大，鑄膜液中高分子鏈的密度增大，高分子鏈更容易聚集起來，所形成的膜的皮層的聚合物網絡孔及膠束聚集體孔的數目增加，但是孔徑相對于低濃度聚合物時的孔小，整個皮層很致密，相分離孔的數目減小，因此，膜的選擇性提高，而滲透性下降。此外，當聚合物濃度過

7、低時膜容易產生缺陷易破；而如果濃度太大時，鑄膜液粘度大，成膜性和膜的均一性差，所以，聚合物濃度應該選擇10.4%13.9%（ 體積分數） 以保證良好的滲透性和選擇性。環境濕度的影響實驗中所刮制的膜在進入凝膠浴之前，要在空氣中讓溶劑揮發一段時間，環境濕度會影響揮發速度，從而影響膜的結構和性能。實驗中考察了40%、 60%、70%、 85%相對濕度（RH） 對膜性能的影響， 其它實驗條件：CA濃度，13.6%（體積分數）；凝膠浴條件，15去離子水； 熱處理溫度，60。結果如圖4所示。結果顯示，隨著濕度由40%升高到85%，水通量先升高后降低，在70%的濕度時達到最大值，而對截留率幾乎沒有影響。可能

8、是由于在濕度較低時，膜表面溶劑揮發速率較快，使表面聚合物分子聚集，膜孔收縮；隨著濕度的提高，空氣中的水分加速了膜表面的凝膠，從而使孔徑增大，而濕度增大到一定的程度之后，由于空氣中的水分也會使揮發速率減小，從而使表面溫度下降較慢， 而使聚合物分子易于伸展， 從而又會使孔徑減小。結果顯示在環境濕度為70 時所制膜的性能較好。 (a)水通量 (b)截留率 圖4 不同環境濕度對CA正滲透膜的(a) 水通量和(b)截留率的影響凝膠浴溫度的影響凝膠過程中凝膠浴的溫度直接影響溶劑與水交換的速度以及聚合物凝膠的速度，從而最終影響膜的結構和性能。實驗中考察了在0、15、25及40去離子水中凝膠對膜的影響，以優化

9、凝膠條件。其它制膜條件：CA濃度，13.6%（體積分數）；環境濕度，90%；熱處理溫度，60。結果如圖5所示。由圖5可知，隨著凝膠浴溫度的升高，膜通量降低而截留率略有升高。這可能是因為，隨著凝膠浴溫度由0上升到40，分子運動加快，溶劑與水的交換速度加快，而凝膠結晶速度較慢，進入凝膠浴之前溶劑的揮發使膜從表面到底層存在聚合物濃度梯度，由于凝膠速度較低使這個濃度梯度進一步增加，膜表面聚合物濃度較高時才開始凝膠，使膜表面較致密，從而使水通量降低而截留率升高。所以應該在較低的溫度下進行凝膠，從而保證可以得到較高的水通量。在 015 凝膠浴下凝膠制得的正滲透膜性能較好。 (a)水通量 (b)截留率 圖5

10、 不同凝膠浴溫度對CA正滲透膜的(a) 水通量和(b)截留率的影響熱處理溫度的影響Han和Bhattacharyya曾觀察到未熱處理的CA膜在干燥過程中會完全坍塌而熱處理的樣品坍塌明顯減輕，說明熱處理會使CA膜發生明顯的形態變化，熱處理在優化膜的結構方面很重要。本文研究了在50、60、70不同的溫度下熱處理對膜性能的影響，其它實驗條件：CA濃度，13.6%（體積分數）；環境濕度，90%；凝膠浴條件，15去離子水；熱處理溫度，60。結果如圖6所示。 (a)水通量 (b)截留率 圖6 不同熱處理溫度對CA正滲透膜的(a) 水通量和(b)截留率的影響由圖 6 可知，未經過熱處理的 CA 正滲透膜的通

11、量最大的，而截留率是最低的；隨著熱處理溫度由 50 升高到 70 ，通量降低而截留率升高。這是因為熱處理過程中，獲得能量的 CA 大分子會向著更穩定的結構方向發生運動，隨著溫度的升高，醋酸纖維素中部分結合水因獲得能量而克服氫鍵而失去；同時分子鏈動能增加，運動加劇，使得分子鏈中的極性基團互相吸引，由醋酸纖維素大分子聚集的空隙所形成的聚集孔會消失或者是轉化成更小的網絡孔，從而使孔徑變小，滲透性降低而選擇性提高。通過控制熱處理溫度可以制備不同用途的膜。在保證一定的截留率的條件下，應該選擇 50 60 溫度進行熱處理，以保證足夠高的水通量。 （1）考察了不同CA濃度對CA正滲透膜性能的影響不同聚合物的

12、濃度對正滲透膜的膜孔大小有重要影響，CA濃度越高，水通量越大，而截留率越低。CA濃度因此存在一個最佳值，為了保證較高的水通量和截留率，CA濃度應該選擇10.4%13.9%（體積分數）。聚合物含量較高和較低都會使膜性能不佳。（2）探索了環境濕度對CA正滲透膜性能的影響結果顯示，環境濕度對于CA正滲透膜來說也有一定的影響，隨著環境相對濕度由40%升高到85%，水通量先升高后降低，在70%的濕度時達到最大值，在5.0Lm-2h-1左右，而對截留率均在97%98%。（3）凝膠浴溫度對CA正滲透膜性能的影響對不同的凝膠浴溫度所制備的正滲透膜進行了考察，結果顯示，隨著凝膠浴溫度的升高，水通量隨之降低而截留率略有