正滲透膜在水處理應用中的研究進展

　　水資源缺乏、水污染嚴重等問題正成為威脅人類生存安全、影響社會經(jīng)濟發(fā)展的全球性問題，如何有效地處理污水廢水，產(chǎn)生清潔用水，實現(xiàn)水資源再利用，已成為全球?qū)W者共同關(guān)注和研究的熱點問題。膜法處理是主要的水處理方法之一，具有占地面積小、自動化程度高、去除污染物范圍廣、工藝流程短等特點，被稱為21世紀最具發(fā)展前景的高新技術(shù)之一，在解決水安全問題上的受重視程度越來越高。

　　目前工業(yè)化應用較多的膜處理技術(shù)有微濾、超濾、納濾、反滲透(RO)和電滲析等，F(xiàn)O技術(shù)以其不需要外加動力、能耗低、膜污染輕等特有的優(yōu)勢正受到越來越多的關(guān)注，已經(jīng)成為目前水處理研究的新熱點。

　　早期對于FO過程的研究主要集中在食物、水和能源行業(yè)。2005年，Elimelech等將NH3-CO2體系作為汲取液應用于FO脫鹽過程，掀起了FO工藝研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新熱潮。大量研究FO工藝的文章和專利在接下來幾年陸續(xù)發(fā)表。

　　關(guān)于FO的研究主要集中在幾個領(lǐng)域：高性能FO膜的制備和性能優(yōu)化、傳質(zhì)分析、膜表征、膜污染以及汲取液類型的選擇和新汲取液的開發(fā)。同時，汲取液回收和再生、FO膜與其他類型膜的組合工藝的開發(fā)和應用也逐漸成為研究熱點。

　　1 FO原理

　　FO過程是一種廣泛存在的物理現(xiàn)象，它以選擇性分離膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動力，溶液中的水分子從原料液(高化學勢)通過選擇性分離膜向汲取液(低化學勢)傳遞，而溶質(zhì)分子或離子被阻擋在膜的一側(cè)，最終導致原料液的濃縮和汲取液的稀釋。濃縮的原料液可以作為下一次正滲透過程的汲取液循環(huán)利用，而稀釋的汲取液可以借助化學沉降、冷卻沉降、熱分解、熱揮發(fā)等方法獲取產(chǎn)品純水，并使汲取液得到濃縮。

　　若在滲透壓差的反方向上施加壓力，并且壓力小于滲透壓差，水分子依然是從原料液擴散到汲取液，這種滲透過程稱為壓力阻尼滲透(PRO)，是介于FO和RO過程的中間過程。FO獨特的運行原理使其具有低能耗、低運行成本的優(yōu)勢。另外，F(xiàn)O技術(shù)的分離能力強，對污染物有較高的截留率;且膜污染幾乎為可逆污染，易清洗和重復使用。因此，F(xiàn)O分離技術(shù)作為一種新興的膜分離技術(shù)擁有巨大的應用前景。

　　2FO過程的影響因素

　　2.1 汲取液

　　汲取液為FO過程提供驅(qū)動力，是影響FO過程順利進行的關(guān)鍵組成部分。最佳汲取液的選擇和汲取液的回收利用是研究的熱點和難點。理想的汲取液應能夠為FO過程提供高滲透壓，并具有較小的溶質(zhì)反向擴散通量，易于回收再利用，價廉無毒。早期被用作汲取液溶質(zhì)的主要是揮發(fā)性氣體(如SO2)、糖類物質(zhì)和部分無機鹽。利用揮發(fā)性氣體配制的汲取液進行海水淡化時，稀釋后的汲取液可通過加熱或氣體吹掃方法去除揮發(fā)性氣體。

　　Elimelech等用NH3和CO2混合溶液作為汲取液，NH3-CO2的良好溶解性為FO過程提供了較高的滲透壓，實現(xiàn)了高通量和高回收率;NH3-CO2 汲取液可通過低溫蒸餾去除溶液中的NH3和CO2，實現(xiàn)產(chǎn)水與汲取液分離。采用Al2(SO4)3作為汲取液溶質(zhì)時，可通過投加Ca(OH)2 使其沉淀，從而獲得純凈水，多余的Ca(OH)2用H2SO4或CO2去除。Liu等在Al2(SO4)3汲取液中加入硅殼結(jié)構(gòu)的磁性納米顆粒，利用磁場作用將凝膠狀的汲取液溶質(zhì)與水分離。

　　親水性和磁性納米顆粒作為新型汲取液溶質(zhì)被應用于FO過程，后處理時只需要通過磁力分離器對汲取液進行回收。應用納米顆粒作為汲取液的優(yōu)勢在于溶質(zhì)反混現(xiàn)象較輕且回收過程簡單，缺點是納米顆粒在回收過程中易發(fā)生集聚現(xiàn)象，雖然可通過超聲法進行分離，但是顆粒磁性和回收率都會受到影響。

　　Wang的團隊將一種刺激響應性聚合物水凝膠作為汲取液，這種聚合物水凝膠可以在溶脹的時候吸收含鹽原料液中的水分;通過液壓或加熱使汲取液消溶脹后，水分便得到釋放。為了提高溶脹率和水分吸收能力，他們又將吸光碳顆粒加入聚合物水凝膠中，水通量得到進一步提高。

　　FO過程最常用的汲取液仍是簡單的無機鹽，如NaCl、MgSO4和KHCO3溶液等，這些簡單無機鹽溶液可產(chǎn)生較高滲透壓，同時顆粒粒徑較小，內(nèi)濃差極化現(xiàn)象較輕。然而，Mg2+、SO42-、CO32-易在膜上結(jié)垢造成膜污染，在使用上受到限制。NaCl由于溶解性好、個性參數(shù)明確、成本低等特點而被廣泛應用于FO過程，并且NaCl作為海水的主要成分，為海水淡化或發(fā)電提供基礎(chǔ)研究。