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(xiàng)有廣闊發(fā)展空間的水處理技術(shù)。目前對(duì)該技術(shù)的研究重點(diǎn)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(shì)，并對(duì)正滲透的未來應(yīng)用做了展望。
隨著日益增強(qiáng)的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，人們對(duì)資源的節(jié)約利用越來越重視，水作為一項(xiàng)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(duì)水的多次重復(fù)利用，回用水的概念在國內(nèi)不再陌生，對(duì)水的回用率和回用水水質(zhì)也有了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)及要求?；赜盟畯淖畛醯暮?jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)及回用率的提高，對(duì)回用水的處理工藝提出了更高的要求。
對(duì)于有高水質(zhì)要求的回用水，幾乎都會(huì)用到膜處理工藝。反滲透技術(shù)作為目前最為經(jīng)濟(jì)有效的脫鹽技術(shù)，已得到廣泛認(rèn)可。但隨著對(duì)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(gè)瓶頸。正是由于反滲透技術(shù)存在的不足，促進(jìn)了正滲透技術(shù)的發(fā)展。
一、正滲透原理
對(duì)于正滲透技術(shù)的原理并不陌生，在研究反滲透技術(shù)時(shí)，就是先從滲透原理開始的，這種自然滲透現(xiàn)象其實(shí)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(dòng)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(dá)驅(qū)動(dòng)液(具有較高滲透壓)一側(cè)。當(dāng)對(duì)滲透壓高的一側(cè)溶液施加一個(gè)小于滲透壓差的外加壓力時(shí)，水仍然會(huì)從原料液一側(cè)流向驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間的抗污染能力；二是能將汲取驅(qū)動(dòng)液的溶質(zhì)從溶液中分離出來。這也即是正滲透的2個(gè)核心技術(shù)問題：一個(gè)是正滲透膜材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的選擇；另一個(gè)是汲取驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(bào)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(qiáng)材料的力學(xué)強(qiáng)度。
此外，以挪威Statkraft公司為核心的研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的另一個(gè)小組使用強(qiáng)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(duì)二價(jià)陽離子有較高的截留率，已在實(shí)驗(yàn)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(bào)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(gè)重要的問題，即正滲透膜的化學(xué)耐受性，主要是對(duì)于酸堿的耐受及氧化劑的耐受。由于正滲透的目標(biāo)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(shí)，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(zhǎng)膜的使用壽命，在膜的化學(xué)性能耐受方面必須進(jìn)行改進(jìn)。
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(gè)是膜的黏結(jié)劑、膠水的性能。目前的有機(jī)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(jìn)行清洗，僅是提高了運(yùn)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(huì)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(gè)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(jī)械強(qiáng)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(yùn)行。
2、驅(qū)動(dòng)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(dòng)力，不需要與反滲透過程類似的壓力驅(qū)動(dòng)。提供化學(xué)位的體系為汲取驅(qū)動(dòng)溶液。驅(qū)動(dòng)溶液是具有高滲透壓的溶液體系，由驅(qū)動(dòng)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(dòng)液從原液中吸收溶劑(一般為水)，再分離驅(qū)動(dòng)液的溶質(zhì)溶劑，達(dá)到提純凈化的目的。這就要求驅(qū)動(dòng)溶液中的溶質(zhì)可以通過簡(jiǎn)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(gè)封閉的循環(huán)體系。
汲取驅(qū)動(dòng)溶液是正滲透過程順利進(jìn)行的關(guān)鍵組成部分，其高滲透壓是由驅(qū)動(dòng)液中的溶質(zhì)產(chǎn)生的。理想的驅(qū)動(dòng)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(duì)分子質(zhì)量，從而能產(chǎn)生較高的滲透壓驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法與水分離，能夠重復(fù)使用。
自20世紀(jì)60年代到目前為止，文獻(xiàn)中報(bào)道過的驅(qū)動(dòng)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(dá)到分離目的，其他驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)可以利用反滲透進(jìn)行分離。
使用反滲透分離驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)，對(duì)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(jìn)行分離，而正滲透所需要的高滲透驅(qū)動(dòng)力，又必須依賴汲取驅(qū)動(dòng)液的高溶質(zhì)含量才能達(dá)到。由此，在驅(qū)動(dòng)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(dòng)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?yàn)榇祟愇镔|(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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)性。
汲取液溶質(zhì)分離之后的反混，是正滲透另外一個(gè)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(gè)過程要求是一個(gè)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(dòng)壓力。為達(dá)到上述目標(biāo)，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(gè)反混罐輪流運(yùn)行。
三、正滲透技術(shù)優(yōu)勢(shì)
相對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)可低壓甚至無壓操作，因而能耗較低；(2)對(duì)許多污染物幾乎可完全截留，分離效果好，膜抗污染能力強(qiáng)；(3)正滲透采用特殊的溶質(zhì)配制汲取驅(qū)動(dòng)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(dòng)壓力，達(dá)到更高的水回收率；(4)正滲透過程是一個(gè)自然發(fā)生的過程，膜污堵也是一個(gè)自然衰減的過程，在運(yùn)行上能夠更好地控制和觀察膜的污堵，對(duì)比反滲透工藝，可以大大降低對(duì)于進(jìn)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(shí)，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(dòng)液中，再利用反滲透對(duì)汲取驅(qū)動(dòng)液中的水進(jìn)行提取，克服了反滲透耐污能力差的缺點(diǎn)。該技術(shù)可以處理原本無法直接使用反滲透進(jìn)行處理或者需要復(fù)雜的預(yù)處理后才能進(jìn)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(chǎng)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?yàn)榉礉B透產(chǎn)生的濃水，不僅TDS被濃縮3~4倍，COD、NH4+-N、TN等有機(jī)污染物同樣被高倍數(shù)濃縮，反滲透系統(tǒng)已無法進(jìn)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(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)可行性。據(jù)報(bào)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(diǎn)，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(xiàng)目中，蒸發(fā)系統(tǒng)的噸水投資和運(yùn)行成本巨大。如果在零排放項(xiàng)目中可以降低進(jìn)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(duì)于有機(jī)污染物及鹽分的耐受瓶頸，大幅度降低進(jìn)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(duì)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(qiáng)食品穩(wěn)定性，從而延長(zhǎng)食品的保存期限，同時(shí)降低食品運(yùn)輸和儲(chǔ)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(diǎn)，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(jí)這一特點(diǎn)，可以通過控制膜孔大小來改變藥物滲透速度，延長(zhǎng)藥物釋放時(shí)間，從而定點(diǎn)、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(duì)環(huán)境影響小，電力輸出穩(wěn)定，成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)。
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(duì)正滲透技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了階段性研究成果。而國內(nèi)對(duì)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(shì)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(xiàng)革命性技術(shù)，該技術(shù)將會(huì)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。
來源:工業(yè)水處理 作者:尉鳳珍
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