正滲透的應(yīng)用和技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1、正滲透的應(yīng)用和技術(shù)優(yōu)勢(shì)姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：16121229指導(dǎo)教師：于海琴正滲透的應(yīng)用和技術(shù)優(yōu)勢(shì)摘要：作為一種新型膜處理技術(shù)，正滲透技術(shù)自20世紀(jì)50年代建立以來(lái)，在環(huán)保、能源、海水淡化等領(lǐng)域受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注 ；其經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)室研究，中試 實(shí)驗(yàn)，到少量的商業(yè)化應(yīng)用，技術(shù)日臻完善。正滲透技術(shù)是利用自然滲透壓差為 驅(qū)動(dòng)力的一種凈水技術(shù)，為水資源和環(huán)境問(wèn)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(shù)優(yōu)勢(shì)，以及正滲透在海水淡化、廢水處理、污水回 用、能源開(kāi)發(fā)以及食品加工等領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：正滲透、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、海水淡化、廢水處理I1引言正滲透（Forward osmosis, FO是近年來(lái)

2、發(fā)展起來(lái)的一種濃度驅(qū)動(dòng)的新型膜分離 技術(shù)，它是依靠選擇性滲透膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動(dòng)力自發(fā)實(shí)現(xiàn)水傳遞的膜分離 過(guò)程，是目前世界膜分離領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。1.1正滲透技術(shù)的原理和技術(shù)特點(diǎn)1.1.1正滲透技術(shù)的原理正滲透是濃度驅(qū)動(dòng)型的膜過(guò)程，它依靠選擇性滲透膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動(dòng)力來(lái) 自發(fā)的實(shí)現(xiàn)水在膜中的傳遞。也就是指水從較高的水化學(xué)勢(shì)（或較低滲透壓）一 側(cè)區(qū)域通過(guò)選擇透過(guò)性膜流向較低水化學(xué)勢(shì)（或較高滲透壓）一側(cè)區(qū)域的過(guò)程。在具有選擇透過(guò)性膜的兩側(cè)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，F(xiàn)S），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(cè)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(fā)地從低滲透壓側(cè)（FS側(cè)）傳輸?shù)礁邼B透壓側(cè)（DS側(cè)）而污染物被截留的膜分離過(guò)程，具體如圖1所示。圖1.正滲透過(guò)程示意圖不同于傳統(tǒng)膜分離過(guò)程，正滲透利用低水化學(xué)勢(shì)的DS從高水化學(xué)勢(shì)的FS吸取純水，無(wú)需投入額外的驅(qū)動(dòng)壓力，因而其能耗低 1。1.1.2正滲透技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)正滲透不同于壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，它不需要額外的水力壓力作為驅(qū)動(dòng)力，而依 靠汲取液與原料液的滲透壓差自發(fā)實(shí)現(xiàn)膜分離。這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)需要幾個(gè)必要條 件：（1）可允許水通過(guò)而

4、截留其他溶質(zhì)分子或離子的選擇性滲透膜及膜組件；（2）提供驅(qū)動(dòng)力的汲取液；（3）對(duì)稀釋后的汲取液再濃縮途徑2。 早期關(guān)于正滲透過(guò)程研究均采用反滲透復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)膜通量普遍較低，主要原因 是復(fù)合膜材料的多孔支撐層產(chǎn)生了內(nèi)濃差極化現(xiàn)象，大大降低了滲透過(guò)程的效 率。20 世紀(jì) 90 年代，Osmotek 公司（Hydration Technologies Inc.（HTI）公司前 身）開(kāi)發(fā)了一種支撐型高強(qiáng)度正滲透膜，已被應(yīng)用于多種領(lǐng)域，是目前最好的商半透Vi膜一V耳汲取液原料液-1 -業(yè)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(yōu)缺點(diǎn)，如板框式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易裝填

5、的優(yōu)點(diǎn)，但又存在密封和 完整性檢查困難的缺點(diǎn)。因此應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域選擇合適的膜及膜組件。近 年來(lái)，許多研究致力于發(fā)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(zhì)和溶劑(一般是水)組成。如果驅(qū)動(dòng) 溶液中的溶質(zhì)可以通過(guò)簡(jiǎn)單、低能耗的方法分離后循環(huán)利用，那么正滲透過(guò)程就 能夠形成一個(gè)封閉的循環(huán)體系。文獻(xiàn)中報(bào)道過(guò)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)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(yīng)用較普遍的溶質(zhì)是 NaCI，因?yàn)樗芙舛雀卟⑶移淙芤汉苋菀淄?過(guò)反滲透過(guò)程再濃縮。值得一提的是， McCutcheon等采

6、用NH4HCO3為溶質(zhì)， 通過(guò)簡(jiǎn)單熱揮發(fā)冷凝的方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品水的分離和溶質(zhì)的循環(huán)利用。2正滲透的技術(shù)優(yōu)勢(shì)正滲透膜技術(shù)是相對(duì)于反滲透技術(shù)而提出來(lái)的，與反滲透技術(shù)相比較，正滲透技 術(shù)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：獨(dú)有的驅(qū)動(dòng)液體系，不需要外界的壓力推動(dòng)分離過(guò)程， 能耗低，同時(shí)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(yīng)用于 反滲透技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的廢水處理中，例如染色廢水、垃圾瀝出液以及膜生物反應(yīng) 器等；在降低膜污染的同時(shí)，可降低膜清洗費(fèi)用和化學(xué)清洗劑對(duì)環(huán)境的污染。正 滲透過(guò)程的回收率高，避免了濃鹽水的排放，環(huán)境友好；在脫鹽過(guò)程中，通過(guò)選 擇合適的汲取液，其水回收率可達(dá)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(shí)現(xiàn)濃鹽水的再濃縮，即回收率高，沒(méi)有濃鹽水的排放，實(shí)現(xiàn) 零排放，是環(huán)境友好型技術(shù)；正滲透操作由于具有低溫低壓的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng) 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(guò)正滲透壓技術(shù)將滲透壓轉(zhuǎn)換為電能3。3正滲透技術(shù)的應(yīng)用正滲透具有低能耗、低污染、高回收等特點(diǎn)，其運(yùn)用范圍非常廣泛，涉及工業(yè)生 產(chǎn)和日常生活的各方面。正滲透技術(shù)海水脫鹽、發(fā)電、工業(yè)廢水處理、食品工 業(yè)、航空航天、制藥工業(yè)得到了進(jìn)一步發(fā)展，還憑借抗污染、低能耗的特點(diǎn)不斷 向傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中滲透，與其他技術(shù)相互融合，形成創(chuàng)新的工業(yè)技術(shù)。本節(jié)將對(duì) 正滲透在主要幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

8、進(jìn)行介紹。3.1在廢水處理中的應(yīng)用3.1.1工業(yè)廢水濃縮最早關(guān)于應(yīng)用正滲透技術(shù)處理工業(yè)廢水的可行性研究報(bào)道發(fā)表于1974年和1977年，其目的是使用這種低能耗的過(guò)程處理微重金屬污染的工業(yè)廢水。他-2 -們采用序批式系統(tǒng)，以商業(yè)化的醋酸纖維反滲透膜為膜單元，以合成海水為汲取 液，來(lái)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(méi)有開(kāi)展進(jìn)一步的研究。3.1.2垃圾滲濾液濃縮垃圾滲濾液主要來(lái)源于垃圾填埋場(chǎng)降水和垃圾本身的內(nèi)含水，是一種成分復(fù)雜的 高濃度的有機(jī)廢水，若不加以處理而直接排入環(huán)境，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。主 要的污染物質(zhì)分4

9、種類型：有機(jī)物、溶解性重金屬離子、有機(jī)和無(wú)機(jī)氮類化合 物、以及溶解性固體物質(zhì)（TDS）。垃圾滲濾液毒性強(qiáng)、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(duì) TDS去除率不高。1998年，Osmotek公司建立了一套中試規(guī)模的正滲透系統(tǒng)用于濃縮垃圾滲濾液。 該系統(tǒng)采用Osmotek的CTA膜，以NaCI為汲取液，對(duì)污染物截留率高，出水產(chǎn) 率可以達(dá)到94%96%4。且各污染物去除率高，在連續(xù)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中雖然有一 定的水通量減少（30%50%），但經(jīng)過(guò)膜清洗后，水通量又基本恢復(fù)至初始。 并且在處理原垃圾滲濾液時(shí)，膜通量沒(méi)有明顯降低。在此基礎(chǔ)上，Osmotek公司建立了大型裝置處理垃圾滲濾液

10、，將該技術(shù)應(yīng)用到年產(chǎn)2萬(wàn)4萬(wàn)m3垃圾滲濾液的美國(guó)Cofin Butte垃圾填埋廠的垃圾滲濾液處理，其工藝流程如圖2,實(shí)際運(yùn)行中采用75g/L的NaCl作為DS在近一年的運(yùn)行期中，共處理滲濾液 1.85萬(wàn) m3,平均產(chǎn)水率達(dá)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(dǎo)率為 35卩S/cm表明正滲透技術(shù)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(chǎn)生大量的剩余污泥，一般采用厭氧消化來(lái)處理剩余污泥，產(chǎn)生 的污泥消化液具有氮、磷、

11、重金屬和有機(jī)污染物高，色度和固體含量高的特點(diǎn)， 需要濃縮和進(jìn)一步的處理。采用正滲透系統(tǒng)處理這類廢水目前已有報(bào)道。Holloway等設(shè)計(jì)了正滲透和反滲透組合系統(tǒng)處理污泥消化液。采用如下流程：污 泥消化液先經(jīng)過(guò)150目格柵預(yù)處理，再經(jīng)過(guò)采用三醋酸纖維正滲透膜，以NaCI為汲取液的正滲透系統(tǒng)，最后稀釋的汲取液通過(guò)反滲透系統(tǒng)獲得出水。由于系統(tǒng) 很高的污泥濃度，在運(yùn)行過(guò)程中，膜通量明顯下降，需要進(jìn)行膜清洗恢復(fù)膜通 量。系統(tǒng)對(duì)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(zhì)，濃縮干化的污泥消化液可用作肥料。近年來(lái)，研究人員開(kāi)展了采用 F0膜對(duì)污泥進(jìn)行脫水的應(yīng)用研究。F0

12、膜用于污泥 脫水的工藝流程見(jiàn)圖3。剩余污泥中的水透過(guò)膜組件進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液（36g/L NaCI溶 液），污泥得到濃縮。被稀釋的驅(qū)動(dòng)液通過(guò)投加NaCI保持高滲透壓，以循環(huán)使用。圖3.正滲透膜用于污泥脫水的工藝流程研究結(jié)果表明，F(xiàn)O膜對(duì)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(jì)的減容率分別達(dá)到64%和80%;此外FO膜對(duì)營(yíng)養(yǎng) 物的截留效果也十分突出，NH3-N去除率達(dá)96%，磷酸鹽去除率達(dá)98%，DOC 去除率達(dá)99% ;膜污染主要來(lái)自于污泥一側(cè)的污泥沉積及濃差極化，經(jīng)過(guò)物理沖 洗即可恢復(fù)大部分的膜通量。以上優(yōu)點(diǎn)使得FO用于污泥脫水具有很大的應(yīng)用潛力6-9

13、。3.1.4正滲透膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器（MBR ）是膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型水處理技術(shù)，與 傳統(tǒng)活性污泥法相比，具有出水水質(zhì)好、設(shè)備占地面積小、活性污泥濃度高、剩 余污泥產(chǎn)率低和便于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，-4 -傳統(tǒng)MBR系統(tǒng)采用的膜均為壓力驅(qū)動(dòng)型膜如超濾、微濾膜，目前制約 MBR技 術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸是膜污染問(wèn)題。正滲透由于過(guò)程本身具有低壓、低能耗和低污染的特點(diǎn)，從理論上講適合于作為 膜生物反應(yīng)器中的膜過(guò)程。Achilli等發(fā)展了如圖4所示的一套正滲透膜生物反應(yīng) 器系統(tǒng)處理高濃度人工配水，對(duì)有機(jī)物和氨氮的去除率分別為99%和98%。運(yùn)行過(guò)程中，膜通量較高，膜污染較輕并可通過(guò)對(duì)膜面反沖洗

14、進(jìn)行有效控制10-12。Cornelissen等發(fā)展了類似的系統(tǒng)并著重研究膜污染過(guò)程，發(fā)現(xiàn)可逆的和不可逆的 膜污染均沒(méi)有明顯發(fā)生。圖4.正滲透膜生物反應(yīng)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(yīng)器（OsMBR）。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(duì)離子及TrOCs截留率高等眾多優(yōu)勢(shì)。OsMBR通常使用高濃度 鹽水或者預(yù)處理過(guò)的海水作為 DS。在一些研究中，研究者們將反滲透過(guò)程與 OsMBR組成混合系統(tǒng)，利用反滲透過(guò)程來(lái)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(shì)，但研究表明其主要不足是溶質(zhì)及其

15、他可溶 解物會(huì)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(huì)在反應(yīng)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(huì)受到抑制。Wan等以及Holloway等提出一種將微濾或者超濾過(guò)程與正滲透并聯(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(yíng)養(yǎng)成分，還能 降低生物反應(yīng)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(duì)總有機(jī)碳（TOC）以及NH3-N的去除效果。UF-OsMBR-RO混合系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的長(zhǎng) 周期實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)開(kāi)啟UF膜組件時(shí)，系統(tǒng)的通量可以穩(wěn)定在 4.8L/

16、m2?h超過(guò)80 天，并且在124天的操作周期內(nèi)不需要對(duì)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(shì)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。這些研究表明，正滲透膜生物反應(yīng)器可作為傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器的-5 -替代技術(shù)，具有顯著優(yōu)勢(shì)和廣泛應(yīng)用前景。3.1.5正滲透微生物燃料電池對(duì)污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(yíng)養(yǎng)物的產(chǎn)電潛能，是一種前景良好的水處理技術(shù)。并且 MFC還具有多種功能：陽(yáng)極可處理市政污水、工業(yè)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(chǎn)電效率較低、出水還需進(jìn)一步處理及 對(duì)清潔水的提取效果不理想等缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的MFC相比，正滲透微生物燃料電池（OsMFC）以F0膜代替了質(zhì)子交換膜（IEM ）。OsMFC的原理見(jiàn)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(duì)污水中的營(yíng)養(yǎng)物 質(zhì)進(jìn)行了濃縮，有利于污水后續(xù)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(yáng)離子交換膜時(shí)能量密度為 40W/m3;使用陰 離子交換膜時(shí)能量密度為23W/m3），處理生活污水可產(chǎn)生能量密度為 4.5W/m3 的電能；F0膜的傳質(zhì)效果優(yōu)于IEM，因而能量

18、產(chǎn)生效率較傳統(tǒng) MFC有一定的提 高6-9。3.2在海水淡化中的應(yīng)用在海水淡化領(lǐng)域，傳統(tǒng)的多級(jí)閃蒸一直是主流技術(shù)，其能耗約為5.66 kWh m-3隨。著膜技術(shù)的快速發(fā)展，能耗較低的反滲透海水淡化技術(shù)在海水淡化市場(chǎng)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(shù)的出現(xiàn)，進(jìn)一步降低了海水淡化的能耗。表1為正滲透與反滲透技術(shù)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(duì)汲取液進(jìn)行重 濃縮，發(fā)現(xiàn)利用正滲透進(jìn)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(yè)化正-6 -滲透海水淡化廠的廠商。盡管如此，Altaee等(2014)認(rèn)為在不考慮膜污染情況下，正滲透+反滲透系統(tǒng)用于海水淡化的能耗高于單純反滲透系統(tǒng)。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(shù)在海水淡化領(lǐng)域 的應(yīng)用前景更加廣闊。表1正滲透與反滲透技術(shù)用于海水滲透的比較雖然至今仍沒(méi)有一個(gè)水脫鹽的能耗標(biāo)準(zhǔn)，但反滲透的能耗問(wèn)題依舊是制約膜分離 技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展的障礙。反滲透技術(shù)是目前比較先進(jìn)的海水淡化技 術(shù)，利用反滲透技術(shù)每生產(chǎn)1000加侖純水，只需要花費(fèi)24美元，這過(guò)程中 大約會(huì)消耗1060 kJ的能量，這

20、個(gè)功耗指標(biāo)已經(jīng)相當(dāng)高。但盡管如此，根據(jù)熱 能轉(zhuǎn)化為電能的能耗理論計(jì)算，利用反滲透技術(shù)進(jìn)行海水淡化的能耗至少是最小 理論值的9倍，因此技術(shù)改進(jìn)的空間還很大。如前所述，雖然正滲透分離技術(shù)需 要在膜材料和汲取液方面取得突破才可得到應(yīng)用，但由于正滲透技術(shù)與反滲透技 術(shù)或其他海水淡化技術(shù)相比具有能耗低的先天優(yōu)勢(shì)，如表1，相比而言是實(shí)現(xiàn)低能耗海水脫鹽的最佳途徑，已經(jīng)在國(guó)際上引起人們的廣泛興趣，尤其是世界淡水 資源嚴(yán)重缺乏且靠近海洋的區(qū)域，比如中東、新加坡、我國(guó)東部等地，在水資源 日益短缺的今天，正滲透海水淡化技術(shù)的市場(chǎng)廣闊，而且競(jìng)爭(zhēng)會(huì)愈加激烈。相信 在不久的將來(lái)會(huì)有越來(lái)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(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。3.3食品濃縮傳統(tǒng)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(huì) 影響食品的口味和營(yíng)養(yǎng)。而正滲透技術(shù)可以在常溫下運(yùn)行，不僅對(duì)口感和營(yíng)養(yǎng)無(wú) 影響，且能耗較低、食品濃縮倍數(shù)較高。1966年，Popper( 1966利用8 mol - 1 氯化鈉對(duì)葡萄汁進(jìn)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(shù)對(duì)蔗糖進(jìn)行 濃縮，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的蒸發(fā)濃縮相比，正滲透技術(shù)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(lǐng)域，在其他食品濃縮領(lǐng)域也具有極佳的應(yīng)用前景。徐偉和黃光勝等(2013)利用正滲透技術(shù)對(duì)番茄汁進(jìn)行濃縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度40C、氯化鈉濃度為18%時(shí)，正滲透對(duì)番茄的濃縮效率很高，番茄最終濃縮糖度可達(dá)32 rix以上盡管如此，由于正滲透過(guò)程仍存在一定的溶質(zhì)反向滲透，對(duì)濃縮食品的口味 和品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。3.4壓力阻尼滲透發(fā)電壓力阻尼滲透(PRO)發(fā)電全過(guò)程無(wú)碳排放，對(duì)環(huán)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(fā)電主要適用于沿海地區(qū)，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(cè)，即形成正滲透過(guò)程，淡水被汲取到海水 側(cè)，被稀釋的海水以一定流速排回海中，在其排放途徑中設(shè)置發(fā)電裝置，即可發(fā) 電產(chǎn)能，另外海水側(cè)由于產(chǎn)生較高壓力，通過(guò)壓力傳質(zhì)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(fā)電起源于20世紀(jì)70年代，然而在壓力阻 尼滲透(PRO)發(fā)電起始階段，膜功率密度極低，Statkraft公司研究(Chung et al.，2015)認(rèn)為只有膜功率密度大于5 Wm 2時(shí)才具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值；然而壓 力阻尼滲透過(guò)程中，由于在汲取液測(cè)會(huì)產(chǎn)生較高壓力，在此壓力下，若正滲透膜 強(qiáng)度較低，則極易受到損壞，難以產(chǎn)生較高的膜功率密度。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者

24、長(zhǎng)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(dá)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(dá)27Wm 213。壓力阻尼滲透(PRO)膜的長(zhǎng)足發(fā)展對(duì)壓力阻尼滲透(PRO) 發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用起了重要的推動(dòng)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(qiáng)度正滲透膜的研發(fā)對(duì)壓力阻尼滲透發(fā)電至關(guān)重要。3.5其它應(yīng)用正滲透除應(yīng)用在上述領(lǐng)域外，還應(yīng)用于應(yīng)急水袋、滲透泵等方面13。應(yīng)急水袋最早由美國(guó)HTI公司研發(fā)并批量生產(chǎn)，應(yīng)急水袋汲取液通常為糖類物 質(zhì)，將水袋投入污染水體后，水分被汲取到含有糖類側(cè)，糖類汲取液被

25、稀釋后即 可補(bǔ)充水分，亦可補(bǔ)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(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)，為了滿足某些藥物需長(zhǎng)期緩慢持續(xù)注 射的要求。滲透泵注射器含有汲取液室(動(dòng)力室)、藥物室和活塞，當(dāng)汲取液汲取 水分時(shí)，由于體積增大推動(dòng)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(shù)在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用但正滲透過(guò)程很少單獨(dú)使用， 通常會(huì)與其它技術(shù)聯(lián)用以再生汲取液并生產(chǎn)高品質(zhì)水，主要聯(lián)用技術(shù)為膜過(guò)濾系 統(tǒng)，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(jī)大分子汲取液或者聚合高分子汲取液；納濾系統(tǒng)用于部分有機(jī)汲取液和高價(jià)無(wú)機(jī)汲取液；

26、反滲透系統(tǒng)則主要用于類似于氯化鈉一類的小分子無(wú)機(jī)汲取液。值得 注意的是，原料液在經(jīng)過(guò)正滲透處理后會(huì)被高度濃縮，要真正實(shí)現(xiàn)零排放”，通常需要結(jié)合結(jié)晶器或蒸發(fā)塘進(jìn)行固化，固化后一般以危險(xiǎn)廢棄物進(jìn)行處理。美國(guó)HTI公司開(kāi)發(fā)的F0水處理設(shè)備是一種可在戰(zhàn)爭(zhēng)或緊急救援情況下使用 的廢水凈化設(shè)備，是目前F0技術(shù)少有的商業(yè)化產(chǎn)品。最近，美國(guó)航天局測(cè)試了 一種稱為 正滲透包”(Forward Osmosis Ba，F(xiàn)OB)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(shí)是將盛在包外層中的廢水通過(guò)F0膜滲透進(jìn)入盛有蔗糖溶液的內(nèi)層，有毒物質(zhì)留在包的內(nèi)層，宇航員就可以 安全的飲用內(nèi)層的蔗糖

27、溶液。但是，該裝置并不完美，存在汲取液溶質(zhì)反混現(xiàn) 象，某些有毒物質(zhì)還是會(huì)通過(guò)膜進(jìn)入蔗糖溶液，因此需要進(jìn)一步的改善。美國(guó)宇 航局項(xiàng)目科學(xué)家和實(shí)驗(yàn)室主管 Levi ne說(shuō)，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(xiàn)在已經(jīng)邁出了一步。另?yè)?jù)最新報(bào) 道，普柏克有限公司(UK-based company)已簽訂一份合同，建造并運(yùn)行世界上第 一座完全商業(yè)化的FO裝置。這座裝置將用于發(fā)電和水處理，裝置建成后日生產(chǎn) 純水200m3。結(jié)論和展望以滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)力的FO技術(shù)，在水處理領(lǐng)域引起了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān) 注。研究包括FO膜制備、FO運(yùn)行、傳質(zhì)機(jī)理、不同類型水和廢水處理中的應(yīng)

28、用 等。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究基礎(chǔ)上，F(xiàn)O技術(shù)在中試、實(shí)際應(yīng)用規(guī)模的研究也逐漸開(kāi) 展。但仍然存在一些問(wèn)題期待解決，如膜污染、汲取液再生、濃差極化、汲取液 溶質(zhì)返混等，使FO技術(shù)的廣泛應(yīng)用受到限制。未來(lái)的研究應(yīng)針對(duì)這些問(wèn)題在深 入解析FO傳質(zhì)機(jī)理、膜污染過(guò)程、濃差極化過(guò)程等基礎(chǔ)上，繼續(xù)開(kāi)發(fā)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研 究，還應(yīng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用規(guī)模的長(zhǎng)期運(yùn)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(shù)一定能得到更廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)陳璐斌，謝朝新,周寧玉，等正滲透技術(shù)研究進(jìn)展綜述J.凈水技術(shù),2015, 34(3): 26-32.金海洋黃

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