游亞杰

摘 要：正滲透技術(shù)作為一種低能耗、污染小的新型膜處理技術(shù)，填補了工業(yè)污水處理“零排放”的空白，在食品濃縮、海水淡化、工業(yè)廢水和生活污水處理領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊?；诖耍疚氖紫确治稣凉B透的原理，然后探討正滲透技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：正滲透技術(shù);食品濃縮;海水淡化;廢水處理

中圖分類號：X703文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）07-0106-03

The Research Advances in Forward Osmosis

YOU Yajie

（Henan Capital Construction Science Experiment Research Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： As a novel membrane technology with low energy consumption and less pollution， forward osmosis（FO）fills the blank of “zero discharge”in industrial wastewater treatment. It can be applied in the fields of food concentration， seawater desalination， industrial wastewater and domestic sewage treatment， with a promising application. Based on this， this paper first analyzed the principle of forward osmosis， and then discussed the application of forward osmosis technology.

Keywords： forward osmosis;food concentration;seawater desalination;wastewater treatment

水是基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，在國民經(jīng)濟和國家環(huán)境安全中占有重要地位。隨著人口持續(xù)增長和城市化的快速推進，預(yù)計到2050年，全世界的淡水需求量將增加40%，而地球上可用的淡水資源只有3%，水資源短缺已成為關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展乃至國家安全的重要問題。應(yīng)對水資源短缺的重要策略之一就是廢水的回收利用。

過去的幾十年里，微濾（Microfiltration，MF）、超濾（Ultrafiltration，UF）、納濾（Nanofiltration，NF）、反滲透（Reverse Osmosis，RO）等壓力驅(qū)動的膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于澄清純化、濃縮提純等領(lǐng)域，能實現(xiàn)工業(yè)廢水處理、純水制備、海水淡化?；趬毫︱?qū)動的膜分離技術(shù)（尤其是反滲透）在廢水處理應(yīng)用中面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、膜污染嚴(yán)重等問題。隨著美麗中國建設(shè)目標(biāo)的不斷推進，從源頭削減廢水量的同時，急需開發(fā)效率高、能耗低、污染小的廢水處理與資源化技術(shù)。正滲透（Forward Osmosis，F(xiàn)O）技術(shù)作為一種低能耗、低污染的綠色技術(shù)，在工業(yè)水處理、海水淡化、廢水零排放領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 正滲透的原理

滲透是指水通過選擇性滲透膜從水化學(xué)勢較高的區(qū)域轉(zhuǎn)移到水化學(xué)勢較低的區(qū)域。它是由穿過膜的溶質(zhì)濃度差異所驅(qū)動的，這種差異允許水通過，但會排斥大多數(shù)溶質(zhì)分子或離子。

正滲透即是自然滲透，是指水從較高水化學(xué)勢（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)勢（或較高滲透壓）一側(cè)區(qū)域的過程。正滲透應(yīng)用了膜兩側(cè)溶液的滲透壓差（[Δπ]）作為驅(qū)動力，使得水能自發(fā)地從原料液（具有較低滲透壓）一側(cè)通過選擇透過性膜到達(dá)驅(qū)動液（具有較高滲透壓）一側(cè)。

壓力阻尼滲透（Pressure Oscillation Damper，PRO）是介于正滲透（FO）和反滲透（RO）的一個中間過程。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)[1]。

描述正滲透（FO）、反滲透（RO）和壓力阻尼滲透（PRO）水傳輸?shù)囊话惴匠淌饺缡剑?）所示。

[JW=AσΔπ-ΔP]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：[JW]是水通量;[A]是膜的透水系數(shù);[σ]是反射系數(shù);[ΔP]是外力。其中，正滲透（FO），[ΔP][=]0;反滲透（RO），[ΔP]>[Δπ];阻尼滲透（PRO），[Δπ]>[ΔP]。滲透過程如圖1所示。

2 正滲透技術(shù)的應(yīng)用

膜技術(shù)作為一種新興朝陽產(chǎn)業(yè)，以高效能和低能耗等優(yōu)勢，在環(huán)境工程領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。相比其他膜分離技術(shù)，正滲透膜技術(shù)以滲透壓差為驅(qū)動力，具有低能耗、低膜污染和高水回收率等優(yōu)勢，在食品濃縮、海水淡化、工業(yè)和生活廢水處理等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

2.1 食品濃縮

比較常見的濃縮方法包括熱法、蒸發(fā)、冷凍干燥、膜法等。熱法濃縮會對產(chǎn)品品質(zhì)造成不利影響，此外，熱法還會消耗大量的能源。常規(guī)膜法濃縮通常采用以納濾和反滲透為代表的壓力驅(qū)動膜技術(shù)。但是，壓力驅(qū)動膜技術(shù)存在很多問題，例如，高壓力操作帶來的高能耗、嚴(yán)重的膜污染、濃縮度遠(yuǎn)小于蒸發(fā)濃縮等。

任宋萍采用正滲透技術(shù)對蘋果汁進行濃縮試驗，發(fā)現(xiàn)三醋酸纖維素（Cellulose Acetate，CTA）正滲透膜更適合蘋果汁濃縮;單一正滲透過程經(jīng)過48 h可以將蘋果汁由10.5%濃縮至50%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反滲透所能達(dá)到的濃縮度;濃縮過程全程非熱，有效保留了果汁中的糖、酸、酚以及果膠等物質(zhì);引起正滲透膜污染的成分主要是糖類，可以通過簡單的水力清洗使膜通量得以恢復(fù)。因此，正滲透濃縮蘋果汁具有良好的技術(shù)與經(jīng)濟可行性[2]。

樊夢原等首次將正滲透膜濃縮規(guī)?；貞?yīng)用到內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)（集團）股份有限公司新鮮牛乳濃縮生產(chǎn)線，通過控制正滲透膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，實現(xiàn)了目標(biāo)溶液的多倍濃縮;同時，不引入任何熱源或強外壓，保持了目標(biāo)溶液的主要營養(yǎng)素含量及營養(yǎng)素比例。與反滲透膜濃縮和冷凍濃縮相比，正滲透膜濃縮技術(shù)可大大增大乳制品的濃縮倍數(shù)，同時降低單位能耗，節(jié)約運行成本[3]。

2.2 海水淡化

目前，已經(jīng)商業(yè)化的海水淡化技術(shù)主要包括反滲透技術(shù)、多級閃蒸技術(shù)和多效蒸餾技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)基礎(chǔ)投資和運行費用都比較昂貴。沙特阿拉伯等西亞國家采用的多級閃蒸技術(shù)以及歐美國家廣泛采用的反滲透技術(shù)的單位制水能耗，均遠(yuǎn)高于以地表水和地下水為水源的能耗。滲透膜技術(shù)是一種新興的膜法水處理技術(shù)，具有低能耗和低膜污染等優(yōu)勢。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋環(huán)境材料團隊在聚砜溶液中引發(fā)丙烯酸（Acrylic Acid，AA）發(fā)生原位聚合反應(yīng)，生成制膜液，通過蒸汽—非溶劑誘導(dǎo)相分離直接制備成PSf/PAA（Polysulfone Polyacrylic Acid）多孔膜，并進一步利用多巴胺的超強黏附性和二次反應(yīng)特性，對支撐膜進行表面修飾，得到正滲透膜材料，并將其四邊膠封成器件，應(yīng)用于應(yīng)急海水淡化領(lǐng)域。其海水淡化效率為美國HTI（Hydration Technologies Inc）公司同類產(chǎn)品的2.5倍以上，為實現(xiàn)智能型正滲透海水淡化膜提供了有力支持[4]。

在國家科技計劃項目的支持下，杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心在正滲透膜材料研制、高效易分離汲取液開發(fā)以及正滲透工藝耦合與系統(tǒng)集成等方面取得了重大突破，并率先建立了500 m?/d的正滲透海水淡化示范裝置。裝置制水能耗、產(chǎn)水量、水回收率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為海水淡化提供了新的工藝選擇[5]。

2.3 工業(yè)廢水處理

在制備高品質(zhì)再生水過程中，膜技術(shù)具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，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(rèn)可[6]。但是，隨著對回用水水質(zhì)和回收率標(biāo)準(zhǔn)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)存在部分不足，促進了正滲透技術(shù)的發(fā)展。

王波等對正滲透在煤化工廢水零排放工藝中的布置位置、汲取液優(yōu)選、膜污染等方面進行了研究。結(jié)果表明：利用正滲透濃縮生化進水時，2.5 mol/L的NaCl溶液作為汲取液，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，最大水回收率高達(dá)91.1%[7]。王玉玲等采用正滲透（FO）工藝處理酸性礦井水（Acid mine Drainage，AMD），以NaCl為原料液，MgCl2為汲取液，研究了汲取液濃度、膜取向、流速等操作條件對正滲透水通量及反向溶質(zhì)擴散的影響。結(jié)果表明：FO對AMD中的Al3+、Fe2+、Cu2+、Zn2+等金屬離子的截留率均在98%以上，對硫酸鹽的截留率達(dá)到97.5%，采用納濾工藝回收正滲透汲取液，對Mg2+的截留率達(dá)到73.3%[8]。

張肖藝等研究厭氧正滲透膜生物反應(yīng)器處理高COD（Chemical Oxygen Demand，化學(xué)需氧量）（3～9 g/L）有機廢水的除污染效能和產(chǎn)能情況。結(jié)果表明：厭氧正滲透反應(yīng)器對COD的去除效率在93%以上，經(jīng)過物理清洗和化學(xué)清洗，膜通量恢復(fù)95%[9]。張萌等考察了常規(guī)式和運動式厭氧正滲透膜生物反應(yīng)器處理高濃度酒精廢水的運動性能。結(jié)果表明：運動式厭氧正滲透膜生物反應(yīng)器處理酒精廢水可以同步實現(xiàn)沼氣回收和廢水回用，在高濃度有機廢水處理領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力[10]。Wu Xing等研究了用氧化石墨烯改性納米復(fù)合薄膜正滲透膜（Thin Film Nanocomposite Forward Osmosis，TFN-FO）濃縮污水。結(jié)果表明，經(jīng)過41 h的間歇過濾，污水濃縮了4.6倍，氨氮和有機物的截留率升高。全自動在線清洗（Clean in Place，CIP）系統(tǒng)清洗15 min，能夠去除膜表面大部分的污染物，膜通量恢復(fù)90%[11]。

2.4 生活污水處理

我國城市化發(fā)展加快，城市生活用水及污水排放量逐漸加大，給污水處理帶來了較大的壓力。目前，城市污水處理方法較多，包括活性污泥法、生物膜過濾等。但是，部分城市污水處理管網(wǎng)設(shè)備老舊，基本配套設(shè)施不足，污水處理效果不達(dá)標(biāo)，脫氮除磷效果不理想。因此，需要在傳統(tǒng)污水處理工藝及實施上有新的進展。膜分離技術(shù)作為當(dāng)前新興的水處理技術(shù)，具有諸多的優(yōu)點，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[12]。

Chen Haisheng等對比了靜電紡納米纖維正滲透膜（Forward Osmosis Membranes Made of Electrospun Nanofibers，TFN0）、靜電紡納米纖維正滲透TiO2復(fù)合膜（Forward Osmosis Membranes Made of Electrospun Nanofibers and Further Impregnated with Titanium Dioxide，TFN1）以及靜電紡納米纖維正滲透TiO2/AgNPs復(fù)合膜（Forward Osmosis Membranes Made of Electrospun Nanofibers and Further Nanoparticles and Titanium Dioxide/Silver Composite Nanoparticles，TFN2）對城市污水的抑菌性能和對四環(huán)素耐藥基因（Tetracycline-Resistant Genes，TRGs）的截留情況。結(jié)果表明：TFN2對大腸桿菌細(xì)胞的致死率達(dá)65%，TRGs的滲透速率與TFN0和TFN1相比，分別降低了39.62%和33.02%。TFN2在實際廢水處理中表現(xiàn)出更好的理化性能、過濾性能和抗生物污染性，在去除污水處理廠廢水中的ARGs和病原體方面具有更好的應(yīng)用前景[13]。

姚遠(yuǎn)用正滲透工藝處理填埋場垃圾滲濾液兩級碟管式反滲透（Dish Tube Reverse Osmosis，DTRO）濃縮液，將原來兩級DTRO濃縮液的產(chǎn)量減量50%以上。正滲透工藝的產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，CODCr（用重鉻酸鉀法測定的COD值）≤10 mg/L，氨氮≤1 mg/L，總氮≤5 mg/L，總磷≤0.1 mg/L[14]。

張淮巽等研究了正滲透膜污水濃縮系統(tǒng)對南方低濃度城市污水的有機污染物濃縮效果和膜污染特性。結(jié)果表明：使用含有1.6 mol/L MgCl2和2.4 mol/L NaCl混合汲取液濃縮城市污水時，正滲透膜的水通量可達(dá)到27 L/（m2·h）;南方城市污水濃縮6倍以上可滿足后續(xù)資源化處理要求，濃縮后的總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）、COD、總磷和氨氮的平均回收率均達(dá)到90%以上;濃縮過程中膜污染較輕，化學(xué)清洗比物理清洗有更高的水通量恢復(fù)率[15]。

3 結(jié)語

正滲透技術(shù)是一種以滲透壓差為主要驅(qū)動力進行分離的技術(shù)，與其他膜分離技術(shù)相比具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢，但存在濃差極化、膜污染、高性能膜材料和高效汲取液等問題，使其全面推廣受到限制，在實際水處理應(yīng)用中的案例較少。因此，探索新型高機械強度和高膜通量的正滲透膜以及研發(fā)智能汲取液將是未來正滲透膜的發(fā)展出路。

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