正渗透技术在工业水处理海淡领域应用前景广阔
慧聪水工业网 正渗透技术是近年来新兴的水处理技术，其研发初始即指向各种高难度废水的处理回用及物料分离领域，是一项有广阔发展空间的水处理技术。目前对该技术的研究重点集中在膜材料和汲取液的选择上。从正渗透的原理出发，介绍了正渗透膜材质及汲取液的前沿科技成果，分析了未来正渗透膜材质和汲取液选择的方向。最后，总结了正渗透技术的优势，并对正渗透的未来应用做了展望。
随着日益增强的环境保护意识，人们对资源的节约利用越来越重视，水作为一项人类生产生活必需的有限资源，得到了越来越多的关注。
从单纯的节约用水，发展到现在对水的多次重复利用，回用水的概念在国内不再陌生，对水的回用率和回用水水质也有了严格的标准及要求。回用水从最初的简单利用，如用于冲厕、冲洗道路，发展到现在可作为工艺用水；从最初的部分回用，发展到最终零排放。随着回用水水质标准及回用率的提高，对回用水的处理工艺提出了更高的要求。
对于有高水质要求的回用水，几乎都会用到膜处理工艺。反渗透技术作为目前最为经济有效的脱盐技术，已得到广泛认可。但随着对回用水水质和回收率标准的提高，反渗透技术的不足也显现出来，如较差的抗污染能力、浓缩结垢等问题已成为该技术发展的一个瓶颈。正是由于反渗透技术存在的不足，促进了正渗透技术的发展。
一、正渗透原理
对于正渗透技术的原理并不陌生，在研究反渗透技术时，就是先从渗透原理开始的，这种自然渗透现象其实就是目前正渗透技术所依据的原理。
正渗透即是自然渗透，是指水从较高水化学位(或较低渗透压)一侧区域通过选择透过性膜流向较低水化学位(或较高渗透压)一侧区域的过程。正渗透正是应用了膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力，才使得水能自发地从原料液(具有较低渗透压)一侧透过选择透过性膜到达驱动液(具有较高渗透压)一侧。当对渗透压高的一侧溶液施加一个小于渗透压差的外加压力时，水仍然会从原料液一侧流向驱动液一侧，此过程叫做压力阻尼渗透。压力阻尼渗透的驱动力仍然是渗透压，因此它也是一种正渗透过程。
二、正渗透核心技术
正渗透如果作为商用的净水技术，需解决2个大问题：一是要使水以高通量通过半透膜，并保证膜的使用寿命以及长时间的抗污染能力；二是能将汲取驱动液的溶质从溶液中分离出来。这也即是正渗透的2个核心技术问题：一个是正渗透膜材质及结构的选择；另一个是汲取驱动溶液的选择。
1、正渗透膜的材质及结构
在正渗透技术中，半透膜材料是核心材料。早期研究人员使用非对称反渗透复合膜来研究正渗透过程，发现该类膜不适用于正渗透，主要原因是复合膜的多孔支撑层内产生了内浓差极化现象，大大降低了渗透过程的效率。因此，对于正渗透膜材料的研究集中在寻找渗透效率高的膜材质上，以减轻内浓差极化，解决膜通量、污染物截留率的问题。此外，还要保证膜的物理强度和耐化学性能。
目前最好的商业化正渗透膜材料是美国HTI公司的支撑型高强度膜，该膜为3层结构：致密皮层、多孔支撑层和网格支撑层。致密皮层和多孔支撑层为亲水性，呈电中性，厚度约为50μm。据报道，该材料是由醋酸纤维素类高分子材料制备而成，结构中增加圆形纤维用以增强材料的力学强度。
此外，以挪威Statkraft公司为核心的研究团队开发了与反渗透膜材料类似的复合正渗透膜材料，用于PRO过程，其利用淡水和海水混合自由能获得能源。研究团队的另一个小组使用强度较高的聚醚酰亚胺中空纤维膜作为支撑层，通过界面聚合成膜，制成中空纤维式复合正渗透膜。与反渗透膜材料相比，复合正渗透膜支撑层具有较高的开孔率，能够有效降低内浓差极化。
新加坡国立大学开发了聚苯并咪唑(polybenz-iazole，PBI)中空纤维纳滤膜材料，膜表面带正电荷，对二价阳离子有较高的截留率，已在实验室中证明具有较好的正渗透性能。该膜材料外皮层结构较为致密，内表面开孔，水透过性能是目前所报道数据中最好的。
除了内浓差极化问题，还需要解决另外一个重要的问题，即正渗透膜的化学耐受性，主要是对于酸碱的耐受及氧化剂的耐受。由于正渗透的目标应用领域多为污染程度较高的污废水，水本身的pH范围宽，可能存在大量氧化类物质，因此要求膜有很好的化学耐受性。同时，由于来水的污染程度高，清洗频率更高，为了清除大量复杂的膜表面污染，使用更高浓度的酸碱或氧化剂在所难免。因此，为了延长膜的使用寿命，在膜的化学性能耐受方面必须进行改进。
膜的化学耐受性能主要受到两方面因素的制约：一是膜材质本身的性能；另外一个是膜的黏结剂、胶水的性能。目前的有机膜材质普遍耐氧化性能差，醋酸纤维类材质略好，但基本无法满足使用氧化剂进行清洗，仅是提高了运行稳定性。随着材料科技的发展，新的膜材料的应用可能会彻底解决这类问题。
综合起来，作为正渗透膜应具备以下几个特征：(1)致密、低孔隙率的皮层，具有高截留率；(2)膜的皮层具有较好的亲水性、较高的水通量；(3)膜支撑层尽量薄，孔隙率高；(4)有较高的机械强度；(5)具有耐酸碱的抗化学腐蚀能力，可以在较宽的pH范围以及各种不同组成的溶液条件下正常运行。
2、驱动溶液的选择
以脱盐过程为例，正渗透过程利用化学位作为驱动力，不需要与反渗透过程类似的压力驱动。提供化学位的体系为汲取驱动溶液。驱动溶液是具有高渗透压的溶液体系，由驱动溶质和溶剂(溶剂一般为水)组成。正渗透过程通过汲取驱动液从原液中吸收溶剂(一般为水)，再分离驱动液的溶质溶剂，达到提纯净化的目的。这就要求驱动溶液中的溶质可以通过简单、低能耗的方法与溶剂分离，之后再循环利用，使正渗透过程能够形成一个封闭的循环体系。
汲取驱动溶液是正渗透过程顺利进行的关键组成部分，其高渗透压是由驱动液中的溶质产生的。理想的驱动溶质应该具备以下特征：(1)在水中应具有较高的溶解度、较小的相对分子质量，从而能产生较高的渗透压驱动力；(2)无毒，在渗透过程环境条件下，在水中的物理化学性质稳定；(3)与正渗透膜化学相容，不与膜发生化学反应，不改变膜材料的性能和结构；(4)能够通过简单、经济的方法与水分离，能够重复使用。
自20世纪60年代到目前为止，文献中报道过的驱动溶质包括：盐类如NaCl、MgCl2、Al2(SO4)3、NH4HCO3，糖类如葡萄糖、果糖等。其中，NH4HCO3可以通过加热分解达到分离目的，其他驱动溶质可以利用反渗透进行分离。
使用反渗透分离驱动溶质，对其含量有一定的限制，溶质含量过高，无法利用反渗透技术进行分离，而正渗透所需要的高渗透驱动力，又必须依赖汲取驱动液的高溶质含量才能达到。由此，在驱动溶质的选择上，目前的研究主要集中在可受热分解类的驱动溶质。在受热分解类溶质中，铵盐类物质越来越受到关注，因为此类物质可以在较低的温度条件下与水分离，所需要的分离温度为溶质受热分解温度，远远低于水汽化温度，从而使正渗透过程能耗大大降低，更具有经济性。
汲取液溶质分离之后的反混，是正渗透另外一个重要过程。如果将正渗透技术做工程应用，汲取液溶质被分离后必须能快速反混，以再次产生汲取液，这个过程要求是一个连续稳定的过程，这样才能保证汲取液提供稳定的驱动压力。为达到上述目标，需要反混装置能提供适合的反混条件，包括温度、压力、混合条件等。反混的过程可采用连续混入或者多个反混罐轮流运行。
三、正渗透技术优势
相对于压力驱动的膜分离过程如微滤、超滤和反渗透，正渗透从过程本质上讲具有许多独特的优点：(1)可低压甚至无压操作，因而能耗较低；(2)对许多污染物几乎可完全截留，分离效果好，膜抗污染能力强；(3)正渗透采用特殊的溶质配制汲取驱动液，可以人为控制配制高浓度的汲取液，从而得到更高的渗透驱动压力，达到更高的水回收率；(4)正渗透过程是一个自然发生的过程，膜污堵也是一个自然衰减的过程，在运行上能够更好地控制和观察膜的污堵，对比反渗透工艺，可以大大降低对于进水水质的要求，从而能够处理一些反渗透无法处理的高污染类废水，或者大大减少预处理工艺，做到工艺的集成整合。
另外，正渗透技术可应用领域广泛，不仅仅局限于水处理方面，也可应用于电力、医药等行业。
四、正渗透技术应用前景
1、水处理领域
（1）工业水处理
在全球水资源紧张的情况下，可以将正渗透膜应用于污水处理并生产高品质的供水用于工业用水。在处理高浓度污水时，可考虑联合使用正渗透膜及反渗透膜。首先利用正渗透膜将含有复杂污染物的高污染废水转移至单一溶质的汲取驱动液中，再利用反渗透对汲取驱动液中的水进行提取，克服了反渗透耐污能力差的缺点。该技术可以处理原本无法直接使用反渗透进行处理或者需要复杂的预处理后才能进入反渗透系统处理的污水。
正渗透技术的工业应用市场需求潜力巨大，尤其是在反渗透系统产生的浓水处理方面。因为反渗透产生的浓水，不仅TDS被浓缩3~4倍，COD、NH4+-N、TN等有机污染物同样被高倍数浓缩，反渗透系统已无法进一步处理该浓水，而正渗透技术恰恰可以满足这一技术要求。
（2）海水淡化
早期利用正渗透技术进行海水淡化的研究很多，但大多数都不成熟，主要瓶颈在于无法找到合适的汲取驱动液。目前，美国耶鲁大学开发出一种新型混合铵盐溶液作为正渗透汲取液，这种汲取液可以在40℃条件下与水分离，大大降低了能耗，从而使正渗透的海水淡化真正实现了经济可行性。据报道，如果应用此类汲取液，正渗透应用在海水淡化领域的能耗仅为反渗透的1/10。由于正渗透还具备高回收率和低污染的优点，在未来海水淡化领域，正渗透技术很可能得到大规模应用。
（3）废水零排放
在废水零排放项目中，蒸发系统的吨水投资和运行成本巨大。如果在零排放项目中可以降低进入蒸发系统的水量，将大幅度降低成本。
正渗透技术在液体零排放领域的应用前景显而易见，其可以将反渗透浓水再次浓缩或直接高倍数浓缩污水，打破现有技术对于有机污染物及盐分的耐受瓶颈，大幅度降低进入蒸发器的水量。目前国内已经在煤化工、汽车等行业逐渐推行零排放，尤其是在资源型缺水地区和两湖流域。未来对于零排放的推行必然逐步加大，这将成为正渗透技术的另一片发展之地。
2、其他领域
除水处理领域外，正渗透技术在食品浓缩、医药、发电等领域也有着很好的应用前景。
食品工业中通常需要去除液体中的水分来增强食品稳定性，从而延长食品的保存期限，同时降低食品运输和储存成本。正渗透技术可以在低温低压条件下操作，能很好地保持食品的物理性质，再加上其低能耗、低污染的特点，已逐渐在食品浓缩领域得到推广，并有望代替传统工艺。
在医药方面，基于渗透原理，利用正渗透膜孔径一般为纳米或更小等级这一特点，可以通过控制膜孔大小来改变药物渗透速度，延长药物释放时间，从而定点、定量地将药物传输到体内。
压力阻尼渗透(PRO)可以利用液体间的渗透压差产生电能，PRO发电站具有占地面积小，对环境影响小，电力输出稳定，成本低等众多优点。
近年来，以美国、以色列和新加坡为代表的国家投入大量资金对正渗透技术进行研究，并取得了阶段性研究成果。而国内对正渗透技术的研究则刚刚起步。但无论如何，正渗透技术的种种优势已经展现在人们面前，且技术研发也日趋成熟。种种迹象表明，正渗透技术有可能是未来水处理领域的一项革命性技术，该技术将会在未来的海水淡化、苦咸水脱盐、工业及市政污水回用领域完全替代现有的反渗透系统，并且在其他物料分离甚至发电领域，正渗透技术也有着巨大的应用潜力。
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