正滲透技術(shù)在工業(yè)水處理、海水淡化、廢水零排放領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊
發(fā)布日期：2017-11-13 點擊：829
正滲透技術(shù)是近年來新興的水處理技術(shù)，其研發(fā)初始即指向各種高難度廢水的處理回用及物料分離領(lǐng)域，是一項有廣闊發(fā)展空間的水處理技術(shù)。目前對該技術(shù)的研究重點集中在膜材料和汲取液的選擇上。從正滲透的原理出發(fā)，介紹了正滲透膜材質(zhì)及汲取液的前沿科技成果，分析了未來正滲透膜材質(zhì)和汲取液選擇的方向。最后，總結(jié)了正滲透技術(shù)的優(yōu)勢，并對正滲透的未來應(yīng)用做了展望。
隨著日益增強的環(huán)境保護意識，人們對資源的節(jié)約利用越來越重視，水作為一項人類生產(chǎn)生活必需的有限資源，得到了越來越多的關(guān)注。
從單純的節(jié)約用水，發(fā)展到現(xiàn)在對水的多次重復(fù)利用，回用水的概念在國內(nèi)不再陌生，對水的回用率和回用水水質(zhì)也有了嚴格的標準及要求。回用水從最初的簡單利用，如用于沖廁、沖洗道路，發(fā)展到現(xiàn)在可作為工藝用水；從最初的部分回用，發(fā)展到最終零排放。隨著回用水水質(zhì)標準及回用率的提高，對回用水的處理工藝提出了更高的要求。
對于有高水質(zhì)要求的回用水，幾乎都會用到膜處理工藝。反滲透技術(shù)作為目前最為經(jīng)濟有效的脫鹽技術(shù)，已得到廣泛認可。但隨著對回用水水質(zhì)和回收率標準的提高，反滲透技術(shù)的不足也顯現(xiàn)出來，如較差的抗污染能力、濃縮結(jié)垢等問題已成為該技術(shù)發(fā)展的一個瓶頸。正是由于反滲透技術(shù)存在的不足，促進了正滲透技術(shù)的發(fā)展。
一、正滲透原理
對于正滲透技術(shù)的原理并不陌生，在研究反滲透技術(shù)時，就是先從滲透原理開始的，這種自然滲透現(xiàn)象其實就是目前正滲透技術(shù)所依據(jù)的原理。
正滲透技術(shù)在工業(yè)水處理、海水淡化、廢水零排放領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊
正滲透即是自然滲透，是指水從較高水化學(xué)位(或較低滲透壓)一側(cè)區(qū)域通過選擇透過性膜流向較低水化學(xué)位(或較高滲透壓)一側(cè)區(qū)域的過程。正滲透正是應(yīng)用了膜兩側(cè)溶液的滲透壓差作為驅(qū)動力，才使得水能自發(fā)地從原料液(具有較低滲透壓)一側(cè)透過選擇透過性膜到達驅(qū)動液(具有較高滲透壓)一側(cè)。當(dāng)對滲透壓高的一側(cè)溶液施加一個小于滲透壓差的外加壓力時，水仍然會從原料液一側(cè)流向驅(qū)動液一側(cè)，此過程叫做壓力阻尼滲透。壓力阻尼滲透的驅(qū)動力仍然是滲透壓，因此它也是一種正滲透過程。
二、正滲透核心技術(shù)
正滲透如果作為商用的凈水技術(shù)，需解決2個大問題：一是要使水以高通量通過半透膜，并保證膜的使用壽命以及長時間的抗污染能力；二是能將汲取驅(qū)動液的溶質(zhì)從溶液中分離出來。這也即是正滲透的2個核心技術(shù)問題：一個是正滲透膜材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的選擇；另一個是汲取驅(qū)動溶液的選擇。
1、正滲透膜的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)
在正滲透技術(shù)中，半透膜材料是核心材料。早期研究人員使用非對稱反滲透復(fù)合膜來研究正滲透過程，發(fā)現(xiàn)該類膜不適用于正滲透，主要原因是復(fù)合膜的多孔支撐層內(nèi)產(chǎn)生了內(nèi)濃差極化現(xiàn)象，大大降低了滲透過程的效率。因此，對于正滲透膜材料的研究集中在尋找滲透效率高的膜材質(zhì)上，以減輕內(nèi)濃差極化，解決膜通量、污染物截留率的問題。此外，還要保證膜的物理強度和耐化學(xué)性能。
目前最好的商業(yè)化正滲透膜材料是美國HTI公司的支撐型高強度膜，該膜為3層結(jié)構(gòu)：致密皮層、多孔支撐層和網(wǎng)格支撐層。致密皮層和多孔支撐層為親水性，呈電中性，厚度約為50μm。據(jù)報道，該材料是由醋酸纖維素類高分子材料制備而成，結(jié)構(gòu)中增加圓形纖維用以增強材料的力學(xué)強度。
此外，以挪威Statkraft公司為核心的研究團隊開發(fā)了與反滲透膜材料類似的復(fù)合正滲透膜材料，用于PRO過程，其利用淡水和海水混合自由能獲得能源。研究團隊的另一個小組使用強度較高的聚醚酰亞胺中空纖維膜作為支撐層，通過界面聚合成膜，制成中空纖維式復(fù)合正滲透膜。與反滲透膜材料相比，復(fù)合正滲透膜支撐層具有較高的開孔率，能夠有效降低內(nèi)濃差極化。
新加坡國立大學(xué)開發(fā)了聚苯并咪唑(polybenz-iazole，PBI)中空纖維納濾膜材料，膜表面帶正電荷，對二價陽離子有較高的截留率，已在實驗室中證明具有較好的正滲透性能。該膜材料外皮層結(jié)構(gòu)較為致密，內(nèi)表面開孔，水透過性能是目前所報道數(shù)據(jù)中最好的。
除了內(nèi)濃差極化問題，還需要解決另外一個重要的問題，即正滲透膜的化學(xué)耐受性，主要是對于酸堿的耐受及氧化劑的耐受。由于正滲透的目標應(yīng)用領(lǐng)域多為污染程度較高的污廢水，水本身的pH范圍寬，可能存在大量氧化類物質(zhì)，因此要求膜有很好的化學(xué)耐受性。同時，由于來水的污染程度高，清洗頻率更高，為了清除大量復(fù)雜的膜表面污染，使用更高濃度的酸堿或氧化劑在所難免。因此，為了延長膜的使用壽命，在膜的化學(xué)性能耐受方面必須進行改進。
膜的化學(xué)耐受性能主要受到兩方面因素的制約：一是膜材質(zhì)本身的性能；另外一個是膜的黏結(jié)劑、膠水的性能。目前的有機膜材質(zhì)普遍耐氧化性能差，醋酸纖維類材質(zhì)略好，但基本無法滿足使用氧化劑進行清洗，僅是提高了運行穩(wěn)定性。隨著材料科技的發(fā)展，新的膜材料的應(yīng)用可能會徹底解決這類問題。
綜合起來，作為正滲透膜應(yīng)具備以下幾個特征：(1)致密、低孔隙率的皮層，具有高截留率；(2)膜的皮層具有較好的親水性、較高的水通量；(3)膜支撐層盡量薄，孔隙率高；(4)有較高的機械強度；(5)具有耐酸堿的抗化學(xué)腐蝕能力，可以在較寬的pH范圍以及各種不同組成的溶液條件下正常運行。
2、驅(qū)動溶液的選擇
以脫鹽過程為例，正滲透過程利用化學(xué)位作為驅(qū)動力，不需要與反滲透過程類似的壓力驅(qū)動。提供化學(xué)位的體系為汲取驅(qū)動溶液。驅(qū)動溶液是具有高滲透壓的溶液體系，由驅(qū)動溶質(zhì)和溶劑(溶劑一般為水)組成。正滲透過程通過汲取驅(qū)動液從原液中吸收溶劑(一般為水)，再分離驅(qū)動液的溶質(zhì)溶劑，達到提純凈化的目的。這就要求驅(qū)動溶液中的溶質(zhì)可以通過簡單、低能耗的方法與溶劑分離，之后再循環(huán)利用，使正滲透過程能夠形成一個封閉的循環(huán)體系。
汲取驅(qū)動溶液是正滲透過程順利進行的關(guān)鍵組成部分，其高滲透壓是由驅(qū)動液中的溶質(zhì)產(chǎn)生的。理想的驅(qū)動溶質(zhì)應(yīng)該具備以下特征：(1)在水中應(yīng)具有較高的溶解度、較小的相對分子質(zhì)量，從而能產(chǎn)生較高的滲透壓驅(qū)動力；(2)無毒，在滲透過程環(huán)境條件下，在水中的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；(3)與正滲透膜化學(xué)相容，不與膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不改變膜材料的性能和結(jié)構(gòu)；(4)能夠通過簡單、經(jīng)濟的方法與水分離，能夠重復(fù)使用。
自20世紀60年代到目前為止，文獻中報道過的驅(qū)動溶質(zhì)包括：鹽類如NaCl、MgCl2、Al2(SO4)3、NH4HCO3，糖類如葡萄糖、果糖等。其中，NH4HCO3可以通過加熱分解達到分離目的，其他驅(qū)動溶質(zhì)可以利用反滲透進行分離。
使用反滲透分離驅(qū)動溶質(zhì)，對其含量有一定的限制，溶質(zhì)含量過高，無法利用反滲透技術(shù)進行分離，而正滲透所需要的高滲透驅(qū)動力，又必須依賴汲取驅(qū)動液的高溶質(zhì)含量才能達到。由此，在驅(qū)動溶質(zhì)的選擇上，目前的研究主要集中在可受熱分解類的驅(qū)動溶質(zhì)。在受熱分解類溶質(zhì)中，銨鹽類物質(zhì)越來越受到關(guān)注，因為此類物質(zhì)可以在較低的溫度條件下與水分離，所需要的分離溫度為溶質(zhì)受熱分解溫度，遠遠低于水汽化溫度，從而使正滲透過程能耗大大降低，更具有經(jīng)濟性。
汲取液溶質(zhì)分離之后的反混，是正滲透另外一個重要過程。如果將正滲透技術(shù)做工程應(yīng)用，汲取液溶質(zhì)被分離后必須能快速反混，以再次產(chǎn)生汲取液，這個過程要求是一個連續(xù)穩(wěn)定的過程，這樣才能保證汲取液提供穩(wěn)定的驅(qū)動壓力。為達到上述目標，需要反混裝置能提供適合的反混條件，包括溫度、壓力、混合條件等。反混的過程可采用連續(xù)混入或者多個反混罐輪流運行。
三、正滲透技術(shù)優(yōu)勢
相對于壓力驅(qū)動的膜分離過程如微濾、超濾和反滲透，正滲透從過程本質(zhì)上講具有許多獨特的優(yōu)點：(1)可低壓甚至無壓操作，因而能耗較低；(2)對許多污染物幾乎可完全截留，分離效果好，膜抗污染能力強；(3)正滲透采用特殊的溶質(zhì)配制汲取驅(qū)動液，可以人為控制配制高濃度的汲取液，從而得到更高的滲透驅(qū)動壓力，達到更高的水回收率；(4)正滲透過程是一個自然發(fā)生的過程，膜污堵也是一個自然衰減的過程，在運行上能夠更好地控制和觀察膜的污堵，對比反滲透工藝，可以大大降低對于進水水質(zhì)的要求，從而能夠處理一些反滲透無法處理的高污染類廢水，或者大大減少預(yù)處理工藝，做到工藝的集成整合。
另外，正滲透技術(shù)可應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，不僅僅局限于水處理方面，也可應(yīng)用于電力、醫(yī)藥等行業(yè)。
四、正滲透技術(shù)應(yīng)用前景
1、水處理領(lǐng)域
（1）工業(yè)水處理
在全球水資源緊張的情況下，可以將正滲透膜應(yīng)用于污水處理并生產(chǎn)高品質(zhì)的供水用于工業(yè)用水。在處理高濃度污水時，可考慮聯(lián)合使用正滲透膜及反滲透膜。首先利用正滲透膜將含有復(fù)雜污染物的高污染廢水轉(zhuǎn)移至單一溶質(zhì)的汲取驅(qū)動液中，再利用反滲透對汲取驅(qū)動液中的水進行提取，克服了反滲透耐污能力差的缺點。該技術(shù)可以處理原本無法直接使用反滲透進行處理或者需要復(fù)雜的預(yù)處理后才能進入反滲透系統(tǒng)處理的污水。
正滲透技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用市場需求潛力巨大，尤其是在反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水處理方面。因為反滲透產(chǎn)生的濃水，不僅TDS被濃縮3~4倍，COD、NH4+-N、TN等有機污染物同樣被高倍數(shù)濃縮，反滲透系統(tǒng)已無法進一步處理該濃水，而正滲透技術(shù)恰恰可以滿足這一技術(shù)要求。
（2）海水淡化
早期利用正滲透技術(shù)進行海水淡化的研究很多，但大多數(shù)都不成熟，主要瓶頸在于無法找到合適的汲取驅(qū)動液。目前，美國耶魯大學(xué)開發(fā)出一種新型混合銨鹽溶液作為正滲透汲取液，這種汲取液可以在40℃條件下與水分離，大大降低了能耗，從而使正滲透的海水淡化真正實現(xiàn)了經(jīng)濟可行性。據(jù)報道，如果應(yīng)用此類汲取液，正滲透應(yīng)用在海水淡化領(lǐng)域的能耗僅為反滲透的1/10。由于正滲透還具備高回收率和低污染的優(yōu)點，在未來海水淡化領(lǐng)域，正滲透技術(shù)很可能得到大規(guī)模應(yīng)用。
（3）廢水零排放
在廢水零排放項目中，蒸發(fā)系統(tǒng)的噸水投資和運行成本巨大。如果在零排放項目中可以降低進入蒸發(fā)系統(tǒng)的水量，將大幅度降低成本。
正滲透技術(shù)在液體零排放領(lǐng)域的應(yīng)用前景顯而易見，其可以將反滲透濃水再次濃縮或直接高倍數(shù)濃縮污水，打破現(xiàn)有技術(shù)對于有機污染物及鹽分的耐受瓶頸，大幅度降低進入蒸發(fā)器的水量。目前國內(nèi)已經(jīng)在煤化工、汽車等行業(yè)逐漸推行零排放，尤其是在資源型缺水地區(qū)和兩湖流域。未來對于零排放的推行必然逐步加大，這將成為正滲透技術(shù)的另一片發(fā)展之地。
2、其他領(lǐng)域
除水處理領(lǐng)域外，正滲透技術(shù)在食品濃縮、醫(yī)藥、發(fā)電等領(lǐng)域也有著很好的應(yīng)用前景。
食品工業(yè)中通常需要去除液體中的水分來增強食品穩(wěn)定性，從而延長食品的保存期限，同時降低食品運輸和儲存成本。正滲透技術(shù)可以在低溫低壓條件下操作，能很好地保持食品的物理性質(zhì)，再加上其低能耗、低污染的特點，已逐漸在食品濃縮領(lǐng)域得到推廣，并有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝。
在醫(yī)藥方面，基于滲透原理，利用正滲透膜孔徑一般為納米或更小等級這一特點，可以通過控制膜孔大小來改變藥物滲透速度，延長藥物釋放時間，從而定點、定量地將藥物傳輸?shù)襟w內(nèi)。
壓力阻尼滲透(PRO)可以利用液體間的滲透壓差產(chǎn)生電能，PRO發(fā)電站具有占地面積小，對環(huán)境影響小，電力輸出穩(wěn)定，成本低等眾多優(yōu)點。
近年來，以美國、以色列和新加坡為代表的國家投入大量資金對正滲透技術(shù)進行研究，并取得了階段性研究成果。而國內(nèi)對正滲透技術(shù)的研究則剛剛起步。但無論如何，正滲透技術(shù)的種種優(yōu)勢已經(jīng)展現(xiàn)在人們面前，且技術(shù)研發(fā)也日趨成熟。種種跡象表明，正滲透技術(shù)有可能是未來水處理領(lǐng)域的一項革命性技術(shù)，該技術(shù)將會在未來的海水淡化、苦咸水脫鹽、工業(yè)及市政污水回用領(lǐng)域完全替代現(xiàn)有的反滲透系統(tǒng)，并且在其他物料分離甚至發(fā)電領(lǐng)域，正滲透技術(shù)也有著巨大的應(yīng)用潛力。
