1、正滲透的應用和技術優勢姓名：班級：學號：16121229指導教師：于海琴正滲透的應用和技術優勢摘要：作為一種新型膜處理技術，正滲透技術自20世紀50年代建立以來，在環保、能源、海水淡化等領域受到越來越廣泛的關注 ；其經歷了從實驗室研究，中試 實驗，到少量的商業化應用，技術日臻完善。正滲透技術是利用自然滲透壓差為 驅動力的一種凈水技術，為水資源和環境問題提供了低能耗、高效率的解決方 法。該文介紹了正滲透的技術優勢，以及正滲透在海水淡化、廢水處理、污水回 用、能源開發以及食品加工等領域的應用。關鍵詞：正滲透、技術優勢、海水淡化、廢水處理I1引言正滲透（Forward osmosis, FO是近年來

2、發展起來的一種濃度驅動的新型膜分離 技術，它是依靠選擇性滲透膜兩側的滲透壓差為驅動力自發實現水傳遞的膜分離 過程，是目前世界膜分離領域研究的熱點之一。1.1正滲透技術的原理和技術特點1.1.1正滲透技術的原理正滲透是濃度驅動型的膜過程，它依靠選擇性滲透膜兩側的滲透壓差為驅動力來 自發的實現水在膜中的傳遞。也就是指水從較高的水化學勢（或較低滲透壓）一 側區域通過選擇透過性膜流向較低水化學勢（或較高滲透壓）一側區域的過程。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，FS），另一種為具有較高滲透壓的汲取液（draw solut

3、ion，DS）。正滲透正是依靠正滲透膜兩側的汲取液 （draw solution， DS）和原料 液（feed solution, FS）間的自然滲透壓差，使水分子自發地從低滲透壓側（FS側）傳輸到高滲透壓側（DS側）而污染物被截留的膜分離過程，具體如圖1所示。圖1.正滲透過程示意圖不同于傳統膜分離過程，正滲透利用低水化學勢的DS從高水化學勢的FS吸取純水，無需投入額外的驅動壓力，因而其能耗低 1。1.1.2正滲透技術的技術特點正滲透不同于壓力驅動膜分離過程，它不需要額外的水力壓力作為驅動力，而依 靠汲取液與原料液的滲透壓差自發實現膜分離。這一過程的實現需要幾個必要條 件：（1）可允許水通過而

4、截留其他溶質分子或離子的選擇性滲透膜及膜組件；（2）提供驅動力的汲取液；（3）對稀釋后的汲取液再濃縮途徑2。 早期關于正滲透過程研究均采用反滲透復合膜，發現膜通量普遍較低，主要原因 是復合膜材料的多孔支撐層產生了內濃差極化現象，大大降低了滲透過程的效 率。20 世紀 90 年代，Osmotek 公司（Hydration Technologies Inc.（HTI）公司前 身）開發了一種支撐型高強度正滲透膜，已被應用于多種領域，是目前最好的商半透Vi膜一V耳汲取液原料液-1 -業化正滲透膜2。正滲透膜組件形式主要有：板框式、卷式、管式和包式。各種 組件形式各有優缺點，如板框式具有結構簡單，易裝填

5、的優點，但又存在密封和 完整性檢查困難的缺點。因此應根據不同的應用領域選擇合適的膜及膜組件。近 年來，許多研究致力于發展高性能的正滲透膜及組件，取得了一定成果。汲取溶液是具有高滲透壓的溶液體系，由溶質和溶劑(一般是水)組成。如果驅動 溶液中的溶質可以通過簡單、低能耗的方法分離后循環利用，那么正滲透過程就 能夠形成一個封閉的循環體系。文獻中報道過的驅動溶質主要有：鹽類如NaC1、MgC12、A12(SO4)3、NH4HCO3等，糖類如葡萄糖、果糖等，和氣體如 SO2等。其中應用較普遍的溶質是 NaCI，因為它溶解度高并且其溶液很容易通 過反滲透過程再濃縮。值得一提的是， McCutcheon等采

6、用NH4HCO3為溶質， 通過簡單熱揮發冷凝的方法實現產品水的分離和溶質的循環利用。2正滲透的技術優勢正滲透膜技術是相對于反滲透技術而提出來的，與反滲透技術相比較，正滲透技 術具有得天獨厚的優勢：獨有的驅動液體系，不需要外界的壓力推動分離過程， 能耗低，同時由于正滲透膜材料的親水性，因此可以有效降低膜污染，可應用于 反滲透技術難以實現的廢水處理中，例如染色廢水、垃圾瀝出液以及膜生物反應 器等；在降低膜污染的同時，可降低膜清洗費用和化學清洗劑對環境的污染。正 滲透過程的回收率高，避免了濃鹽水的排放，環境友好；在脫鹽過程中，通過選 擇合適的汲取液，其水回收率可達到 75%，而普通反滲透水回收率為3

7、5%50%, 如此高的回收率可實現濃鹽水的再濃縮，即回收率高，沒有濃鹽水的排放，實現 零排放，是環境友好型技術；正滲透操作由于具有低溫低壓的特點，可以廣泛應 用于液體食品的濃縮和藥物釋放等方面；另外滲透壓本身就是一種綠色能源，可 以通過正滲透壓技術將滲透壓轉換為電能3。3正滲透技術的應用正滲透具有低能耗、低污染、高回收等特點，其運用范圍非常廣泛，涉及工業生 產和日常生活的各方面。正滲透技術海水脫鹽、發電、工業廢水處理、食品工 業、航空航天、制藥工業得到了進一步發展，還憑借抗污染、低能耗的特點不斷 向傳統生產工藝中滲透，與其他技術相互融合，形成創新的工業技術。本節將對 正滲透在主要幾個領域的應用

8、進行介紹。3.1在廢水處理中的應用3.1.1工業廢水濃縮最早關于應用正滲透技術處理工業廢水的可行性研究報道發表于1974年和1977年，其目的是使用這種低能耗的過程處理微重金屬污染的工業廢水。他-2 -們采用序批式系統，以商業化的醋酸纖維反滲透膜為膜單元，以合成海水為汲取 液，來濃縮含低濃度銅或鉻離子的水，具有一定的可行性。但由于膜通量非常低（04.5L/（m2 h），鹽的截留率也不太理想，沒有開展進一步的研究。3.1.2垃圾滲濾液濃縮垃圾滲濾液主要來源于垃圾填埋場降水和垃圾本身的內含水，是一種成分復雜的 高濃度的有機廢水，若不加以處理而直接排入環境，會造成嚴重的環境污染。主 要的污染物質分4

9、種類型：有機物、溶解性重金屬離子、有機和無機氮類化合 物、以及溶解性固體物質（TDS）。垃圾滲濾液毒性強、可生化性差，因此生物 處理效率不高，而其他的處理方法一般對 TDS去除率不高。1998年，Osmotek公司建立了一套中試規模的正滲透系統用于濃縮垃圾滲濾液。 該系統采用Osmotek的CTA膜，以NaCI為汲取液，對污染物截留率高，出水產 率可以達到94%96%4。且各污染物去除率高，在連續實驗的過程中雖然有一 定的水通量減少（30%50%），但經過膜清洗后，水通量又基本恢復至初始。 并且在處理原垃圾滲濾液時，膜通量沒有明顯降低。在此基礎上，Osmotek公司建立了大型裝置處理垃圾滲濾液

10、，將該技術應用到年產2萬4萬m3垃圾滲濾液的美國Cofin Butte垃圾填埋廠的垃圾滲濾液處理，其工藝流程如圖2,實際運行中采用75g/L的NaCl作為DS在近一年的運行期中，共處理滲濾液 1.85萬 m3,平均產水率達到91.9%，除pH值降低30%外，諸如COD、CL 、F 、 NH3 N、TKN、TDS等污染物的去除率均大于97.5%最終出水平均電導率為 35卩S/cm表明正滲透技術處理垃圾滲濾液是較理想的處理方法5。圖2.正滲透垃圾滲濾液處理流程圖-3 -3.1.3污泥消化液濃縮和污泥脫水廢水生物處理廠產生大量的剩余污泥，一般采用厭氧消化來處理剩余污泥，產生 的污泥消化液具有氮、磷、

11、重金屬和有機污染物高，色度和固體含量高的特點， 需要濃縮和進一步的處理。采用正滲透系統處理這類廢水目前已有報道。Holloway等設計了正滲透和反滲透組合系統處理污泥消化液。采用如下流程：污 泥消化液先經過150目格柵預處理，再經過采用三醋酸纖維正滲透膜，以NaCI為汲取液的正滲透系統，最后稀釋的汲取液通過反滲透系統獲得出水。由于系統 很高的污泥濃度，在運行過程中，膜通量明顯下降，需要進行膜清洗恢復膜通 量。系統對磷酸鹽、氨氮和凱氏氮的截留率分別為99%、87%和92%，幾乎完全截留色度和惡臭物質，濃縮干化的污泥消化液可用作肥料。近年來，研究人員開展了采用 F0膜對污泥進行脫水的應用研究。F0

12、膜用于污泥 脫水的工藝流程見圖3。剩余污泥中的水透過膜組件進入驅動液（36g/L NaCI溶 液），污泥得到濃縮。被稀釋的驅動液通過投加NaCI保持高滲透壓，以循環使用。圖3.正滲透膜用于污泥脫水的工藝流程研究結果表明，FO膜對污泥脫水的效果良好，能將 MLSS從7g/L增加至39g/L ;以MLSS和MLVSS計的減容率分別達到64%和80%;此外FO膜對營養 物的截留效果也十分突出，NH3-N去除率達96%，磷酸鹽去除率達98%，DOC 去除率達99% ;膜污染主要來自于污泥一側的污泥沉積及濃差極化，經過物理沖 洗即可恢復大部分的膜通量。以上優點使得FO用于污泥脫水具有很大的應用潛力6-9

13、。3.1.4正滲透膜生物反應器膜生物反應器（MBR ）是膜分離技術與生物技術有機結合的新型水處理技術，與 傳統活性污泥法相比，具有出水水質好、設備占地面積小、活性污泥濃度高、剩 余污泥產率低和便于自動控制等優點，-4 -傳統MBR系統采用的膜均為壓力驅動型膜如超濾、微濾膜，目前制約 MBR技 術廣泛應用的瓶頸是膜污染問題。正滲透由于過程本身具有低壓、低能耗和低污染的特點，從理論上講適合于作為 膜生物反應器中的膜過程。Achilli等發展了如圖4所示的一套正滲透膜生物反應 器系統處理高濃度人工配水，對有機物和氨氮的去除率分別為99%和98%。運行過程中，膜通量較高，膜污染較輕并可通過對膜面反沖洗

14、進行有效控制10-12。Cornelissen等發展了類似的系統并著重研究膜污染過程，發現可逆的和不可逆的 膜污染均沒有明顯發生。圖4.正滲透膜生物反應器示意圖之后許多研究者著眼于用F0替代MBR中的微濾以及超濾的可行性，成為滲透 膜生物反應器（OsMBR）。滲透膜生物反應器（OsMBR）具有諸如低能耗、抗 膜污染能力強、對離子及TrOCs截留率高等眾多優勢。OsMBR通常使用高濃度 鹽水或者預處理過的海水作為 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，利用反滲透過程來再生稀釋后的DS,并生產產品水。盡管OsMBR具有一些得天獨厚的優勢，但研究表明其主要不足是溶質及其

15、他可溶 解物會在原料液側的逐步累積。此外，由于DS溶質反向滲透現象的存在，溶質也會在反應內累積。這些物質的累積將降低FO膜兩側滲透壓差而導致膜通量的降低，并且微生物活性也會受到抑制。Wan等以及Holloway等提出一種將微濾或者超濾過程與正滲透并聯再與 MBR整合的混合系統。該系統中的 MF/UF膜組 件能夠連續不斷地從反應器中去除可溶解成分以及氮、磷等有益營養成分，還能 降低生物反應器中的濃度，從而提高微生物的活性，并最終提升活性污泥對總有機碳（TOC）以及NH3-N的去除效果。UF-OsMBR-RO混合系統長達4個月的長 周期實驗表明，當開啟UF膜組件時，系統的通量可以穩定在 4.8L/

16、m2?h超過80 天，并且在124天的操作周期內不需要對膜組件進行清潔。此外，該混合系統總 氮、總磷的平均去除率以及化學需氧量分別高于82%、99%、96%，并能產生符合飲用標準的產品水。這些優勢足以彌補因增加超濾組件導致的投資和操作費用 增加。這些研究表明，正滲透膜生物反應器可作為傳統膜生物反應器的-5 -替代技術，具有顯著優勢和廣泛應用前景。3.1.5正滲透微生物燃料電池對污水中營養物質和能量的回收也日益受到人們的重視。微生物燃料電池（MFC）能利用污水中營養物的產電潛能，是一種前景良好的水處理技術。并且 MFC還具有多種功能：陽極可處理市政污水、工業廢水、石油廢水等；陰極可用 于污水脫鹽

17、或去除重金屬。但 MFC存在產電效率較低、出水還需進一步處理及 對清潔水的提取效果不理想等缺點。與傳統的MFC相比，正滲透微生物燃料電池（OsMFC）以F0膜代替了質子交換膜（IEM ）。OsMFC的原理見圖5。圖5.0sMFC的原理OsMFC可從污水中回收再生水，水通量為 23L/ （m2h）;對污水中的營養物 質進行了濃縮，有利于污水后續資源化利用；碳源為1g/L醋酸鹽條件下的能量密度為43W/m3 （同等條件下使用陽離子交換膜時能量密度為 40W/m3;使用陰 離子交換膜時能量密度為23W/m3），處理生活污水可產生能量密度為 4.5W/m3 的電能；F0膜的傳質效果優于IEM，因而能量

18、產生效率較傳統 MFC有一定的提 高6-9。3.2在海水淡化中的應用在海水淡化領域，傳統的多級閃蒸一直是主流技術，其能耗約為5.66 kWh m-3隨。著膜技術的快速發展，能耗較低的反滲透海水淡化技術在海水淡化市場的份 額日漸增大，在存在能量回收裝置的情況下，反滲透海水淡化裝置能耗可降至約3.02 kWh m-3。正滲透技術的出現，進一步降低了海水淡化的能耗。表1為正滲透與反滲透技術用于海水滲透的比較14。McGi nn is和Elimelech（ 2007）以碳酸氫銨為汲取液，利用精餾塔對汲取液進行重 濃縮，發現利用正滲透進行海水淡化的能耗僅為0.84 kWh m-3，與反滲透脫鹽相比降低7

19、2.1%。一座正滲透海水淡化廠，成為世界上首家建立商業化正-6 -滲透海水淡化廠的廠商。盡管如此，Altaee等(2014)認為在不考慮膜污染情況下，正滲透+反滲透系統用于海水淡化的能耗高于單純反滲透系統。因此，在可 獲得低成本熱源并利用加熱法濃縮汲取液的條件下，正滲透技術在海水淡化領域 的應用前景更加廣闊。表1正滲透與反滲透技術用于海水滲透的比較雖然至今仍沒有一個水脫鹽的能耗標準，但反滲透的能耗問題依舊是制約膜分離 技術在海水淡化領域繼續發展的障礙。反滲透技術是目前比較先進的海水淡化技 術，利用反滲透技術每生產1000加侖純水，只需要花費24美元，這過程中 大約會消耗1060 kJ的能量，這

20、個功耗指標已經相當高。但盡管如此，根據熱 能轉化為電能的能耗理論計算，利用反滲透技術進行海水淡化的能耗至少是最小 理論值的9倍，因此技術改進的空間還很大。如前所述，雖然正滲透分離技術需 要在膜材料和汲取液方面取得突破才可得到應用，但由于正滲透技術與反滲透技 術或其他海水淡化技術相比具有能耗低的先天優勢，如表1，相比而言是實現低能耗海水脫鹽的最佳途徑，已經在國際上引起人們的廣泛興趣，尤其是世界淡水 資源嚴重缺乏且靠近海洋的區域，比如中東、新加坡、我國東部等地，在水資源 日益短缺的今天，正滲透海水淡化技術的市場廣闊，而且競爭會愈加激烈。相信 在不久的將來會有越來越多低能耗的正滲透海水淡化工廠建成，

21、在水資源有效利 用領域發揮巨大作用。3.3食品濃縮傳統食品濃縮主要依靠熱處理法和冷凍濃縮，然而這些方法不僅能耗高，且常會 影響食品的口味和營養。而正滲透技術可以在常溫下運行，不僅對口感和營養無 影響，且能耗較低、食品濃縮倍數較高。1966年，Popper( 1966利用8 mol - 1 氯化鈉對葡萄汁進行濃縮，但由于滲透膜采用的是反滲透膜，其水通量較小，僅 為2.5 kg m-2 h-1； Castello和Elimelech等(2009)利用正滲透技術對蔗糖進行 濃縮，發現與傳統的蒸發濃縮相比，正滲透技術能耗較低，Ktlltll UUILUWinuRIlHtl*r Hi.UM IHBUis

22、 宀HH11KI并指出其不僅在蔗-7 -糖濃縮領域，在其他食品濃縮領域也具有極佳的應用前景。徐偉和黃光勝等(2013)利用正滲透技術對番茄汁進行濃縮實驗，發現當溫度40C、氯化鈉濃度為18%時，正滲透對番茄的濃縮效率很高，番茄最終濃縮糖度可達32 rix以上盡管如此，由于正滲透過程仍存在一定的溶質反向滲透，對濃縮食品的口味 和品質會產生一定的影響。3.4壓力阻尼滲透發電壓力阻尼滲透(PRO)發電全過程無碳排放，對環境影響極小，為世界清潔能源提 供了一條最新途徑。壓力阻尼滲透(PRO)發電主要適用于沿海地區，特別是江河 入海口處，既可以利用江河的淡水作為原料液，又可利用海水或海水淡化后的濃 水作

23、為汲取液，膜活性層朝向海水測，即形成正滲透過程，淡水被汲取到海水 側，被稀釋的海水以一定流速排回海中，在其排放途徑中設置發電裝置，即可發 電產能，另外海水側由于產生較高壓力，通過壓力傳質裝置可為原料液和汲取液 提供泵入壓力。壓力阻尼滲透(PRO)發電起源于20世紀70年代，然而在壓力阻 尼滲透(PRO)發電起始階段，膜功率密度極低，Statkraft公司研究(Chung et al.，2015)認為只有膜功率密度大于5 Wm 2時才具有商業應用價值；然而壓 力阻尼滲透過程中，由于在汲取液測會產生較高壓力，在此壓力下，若正滲透膜 強度較低，則極易受到損壞，難以產生較高的膜功率密度。經過國內外學者

24、長期 不懈努力，目前，平板壓力阻尼滲透(PRO)膜的壓力可以承受22 bar，功率密 度可達18 Wm 2,而中空壓力阻尼滲透(PRO)膜的壓力可以承受20 bar，功率 密度可達27Wm 213。壓力阻尼滲透(PRO)膜的長足發展對壓力阻尼滲透(PRO) 發電的實際應用起了重要的推動作用，而今后，在不加重濃差極化、降低水通量 的前提下，更高強度正滲透膜的研發對壓力阻尼滲透發電至關重要。3.5其它應用正滲透除應用在上述領域外，還應用于應急水袋、滲透泵等方面13。應急水袋最早由美國HTI公司研發并批量生產，應急水袋汲取液通常為糖類物 質，將水袋投入污染水體后，水分被汲取到含有糖類側，糖類汲取液被

25、稀釋后即 可補充水分，亦可補充一定能量，甚至可利用一定量的止瀉藥作為汲取液，可有 效緩解腹瀉疾病。正滲透滲透泵的研究主要應用于醫藥行業，為了滿足某些藥物需長期緩慢持續注 射的要求。滲透泵注射器含有汲取液室(動力室)、藥物室和活塞，當汲取液汲取 水分時，由于體積增大推動活塞擠壓藥物室，使藥物緩慢注入受體。綜上所述，正滲透技術在很多領域都得到了應用但正滲透過程很少單獨使用， 通常會與其它技術聯用以再生汲取液并生產高品質水，主要聯用技術為膜過濾系 統，包括超濾、納濾和反滲透。超濾主要用于分子量較大的汲取液，多為有-8 -機大分子汲取液或者聚合高分子汲取液；納濾系統用于部分有機汲取液和高價無機汲取液；

26、反滲透系統則主要用于類似于氯化鈉一類的小分子無機汲取液。值得 注意的是，原料液在經過正滲透處理后會被高度濃縮，要真正實現零排放”，通常需要結合結晶器或蒸發塘進行固化，固化后一般以危險廢棄物進行處理。美國HTI公司開發的F0水處理設備是一種可在戰爭或緊急救援情況下使用 的廢水凈化設備，是目前F0技術少有的商業化產品。最近，美國航天局測試了 一種稱為 正滲透包”(Forward Osmosis Ba，FOB)的類似的便攜式水處理裝置， 用于航天員在太空中的廢水處理再利用。FOB工作時是將盛在包外層中的廢水通過F0膜滲透進入盛有蔗糖溶液的內層，有毒物質留在包的內層，宇航員就可以 安全的飲用內層的蔗糖

27、溶液。但是，該裝置并不完美，存在汲取液溶質反混現 象，某些有毒物質還是會通過膜進入蔗糖溶液，因此需要進一步的改善。美國宇 航局項目科學家和實驗室主管 Levi ne說，人們可以回收利用汗水、呼吸出的冷凝 氣，甚至是尿液，讓它們變得能安全飲用，現在已經邁出了一步。另據最新報 道，普柏克有限公司(UK-based company)已簽訂一份合同，建造并運行世界上第 一座完全商業化的FO裝置。這座裝置將用于發電和水處理，裝置建成后日生產 純水200m3。結論和展望以滲透壓差作為驅動力的FO技術，在水處理領域引起了越來越多學者的關 注。研究包括FO膜制備、FO運行、傳質機理、不同類型水和廢水處理中的應

28、用 等。在實驗室規模研究基礎上，FO技術在中試、實際應用規模的研究也逐漸開 展。但仍然存在一些問題期待解決，如膜污染、汲取液再生、濃差極化、汲取液 溶質返混等，使FO技術的廣泛應用受到限制。未來的研究應針對這些問題在深 入解析FO傳質機理、膜污染過程、濃差極化過程等基礎上，繼續開發有效的膜 污染控制手段、汲取液再生方法、高效的 FO膜和汲取液。不僅進行實驗室研 究，還應進行實際應用規模的長期運行研究。隨著科研工作的不斷深入，低能 耗、高回收率的FO技術一定能得到更廣泛的應用前景。參考文獻陳璐斌，謝朝新,周寧玉，等正滲透技術研究進展綜述J.凈水技術,2015, 34(3): 26-32.金海洋黃

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