正渗透技术在水处理中的应用

摘要：正渗透技术作为一种以渗透压差作为驱动力的膜技术，在近十年受到越来越广泛的关注，其具有的潜在优势是其受到持续关注的主要原因。然而在这些研究与应用中，通常将正渗透与其他技术组合成正渗透混合系统加以应用。文章针对正渗透混合系统在水处理中应用的研究进展进行综述，以期为正渗透技术的进步做出贡献。

关键词：正渗透；膜分离；驱动液；污水处理；渗透压差 文献标识码：A

中图分类号：TQ3 文章编号：1009-2374（2016）29-0088-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.039

人口的持续快速增长已经使得对全球水和能源的可持续性问题备受关注。由于目前净水的生产仍然是能量密度非常高的过程，因此如何在低耗能的前提下满足不断增长的用水需求是本世纪面临的一项重要挑战。

正渗透（FO）技术作为一种新兴的膜分离技术在过去的十年间受到了来自科研和工业开发领域越来越广泛的关注。FO是通过自然的渗透作用将水分子从半透膜一侧的含盐溶液中提取到膜另一侧的高浓度驱动液（DS）中。由于是由膜两边的渗透压差提供驱动力，FO技术可以克服例如反渗透（RO）等水压驱动膜分离过程的不足。然而，FO技术同样也面临一些主要的技术障碍，如缺少为FO专门设计的膜材料、驱动液的回收及再浓缩等。研究者还指出FO仅仅在不需要对驱动液进行进一步处理的情况下才是一种低能耗的过程，因此现存的FO是一个低能耗过程的概念是具有误导性的。虽然成功实现FO技术的工业应用仍然需要克服一些挑战，但近年来在该领域的研究成果也颇为丰富，本文综述FO技术在水处理领域内最新的研究及应用进展，特别是FO技术和其他水处理技术的组合应用将重点关注。

1 正渗透原理

在FO过程中，水通过半透膜从溶质浓度较低的原料液（FS）侧渗透到浓度高的DS侧，而溶质分子或者离子不能通过该半透膜，从而实现水和溶质的分离，驱动力是膜两侧溶液的化学势之差。过程中，水不断渗透到DS侧，其浓度逐渐被稀释，即渗透压逐渐减小，与此同时FS侧的浓度则逐渐增加，即其渗透压逐渐增大，当膜两边的渗透压差与液面位差相等时过程结束。实际上，虽然FO不需要外加压力，但仍用FO膜两侧的渗透压差来描述该过程的驱动力。而RO的驱动力为外加压力与渗透压之差，如图1所示即为FO与RO原理示意图。

2 膜通量正渗透技术在水处理中的应用

2.1 在海水及含盐水淡化中的应用

最早将FO技术应用于海水即含盐水淡化的报道要追溯到1965年由Batchelder申请的专利，但由于受到膜材料和DS的限制，FO技术在过去几十年间一直未能受到广泛的关注。而最近十几年来，由于膜材料技术的迅猛发展以及水与能源形势的日趋严峻，使FO海水及含盐水淡化技术获得了难得的发展良机。较早的一些报道中主要使用一定浓度的NaCl溶液来模拟海水进行研究，重点关注的是水的通量、盐截留率、DS以及膜的抗污染性能等因素，而对过程的能耗较少关注，仅McGinnis等通过软件模拟对比了FO与多级闪蒸（MSF）以及RO的电能消耗，并认为FO更加节能。

然而，Shaffer等指出FO仅在不考虑DS再生的情况下才是一种低能耗的过程，现存的正渗透过程是一个低能耗过程的概念具有误导性。如果能够利用低品位的热能进行FO的后续分离过程，则可以认为整个FO系统是能量消耗较低的。例如，使用可以热分解的氨-二氧化碳溶液作为DS，由于该溶质的挥发性大，在DS再生过程利用低品位热能可以很容易地将溶质去除。另外也可以将FO和膜蒸馏（MD）组成混合系统来进行含盐水的淡化。在FO-MD混合系统中，FO可以减缓膜蒸馏过程中的有机物污染以及矿物质结垢等不利影响因素，同时膜分离过程可以通过使用低品位热来对DS进行再生。FO技术和其他技术组成的混合系统将获得比任何水处理技术单独使用都更加理想的效果。近年来，研究者們对混合系统用于DS回收以及将FO技术作为先进前处理工艺等方向的关注度较高。

在DS回收方面，McCutcheon等开发了一种以可热分解的NH4HCO3为溶质的新型DS，将其用于由FO脱盐过程和DS热分解回收过程组成的混合脱盐系统。他们通过模拟计算发现该混合脱盐过程可以达到64%的水回收率，FO的电能消耗为0.25kWh/m3，但其DS回收过程的能耗达到75kWh/m3，并且DS溶质的高反向渗透率使产品水中氨残留较高。

为了应对可热解回收DS存在的上述问题，研究者们开发了若干种替代的DS，并将其用于含盐水淡化进行测试。例如，Yen等使用基于2-甲基咪唑有机化合物DS用于FO-MD混合脱盐系统，获得8L/m2·h的膜通量，但DS溶质的反向通量明显，达到80g/m2·h，且该化合物制备成本很高。Guo等使用FO-MD混合系统对功能化Na+碳量子点（Na-CQDs）DS的淡化性能进行了研究。结果显示，用于DS再生的MD过程的操作温度仅45℃，经过5个周期的运行，该系统仍然能够维持3.5L/m2·h的膜通量，并且DS溶质的反向渗透可以忽略。以磁性纳米颗粒（MNPs）为溶质的新型DS展现出良好的含盐水淡化潜能。Oriard等率先提出FO-磁场混合系统，该系统使用亲水性MNPs作为DS，但其研究不够深入。Chung及其同事们成功地将上述混合系统用于含盐水淡化中，获得了18L/m2·h的膜通量，并且由于MNPs粒径较常规溶质更大地降低了溶质反向渗透，但MNPs在强磁场中有明显的团聚倾向，这显著降低了FO性能。最近，报道了一种聚合物水凝胶DS以及与其相匹配的创新性DS回收方式。这类聚合物水凝胶可以对诸如压力、温度或光亮等环境因素的刺激做出反应，从而吸取或者释放水而达到净化水的目的。将聚合物水凝胶与吸光的碳颗粒组合使其具备在强度为1.0kW/m2的太阳光照射下的脱水能力。由于聚合物水凝胶可以使用太阳能替代常规的DS加热再生过程，使得整个过程的能量消耗得到显著降低。

在将FO作为先进前处理工艺的应用方面，主要关注FO与RO所组成的混合系统。Yangali-Quintanilla等研究了FO和低壓反渗透（LPRO）组成的混合系统对红海海水的淡化性能。结果显示，该FO-LPRO混合系统的能耗为1.3～1.5kWh/m3，为单独使用高压海水反渗透过程能耗的一半左右。单独使用RO不能有效去除水中溶解的痕量有机物（TrOCs）和硼，因此产品水不能达到饮用水标准。而使用FO-RO混合系统能够得到高达99%的TrOCs截留率。若对FO的原料液侧外加压力，并与RO组成压力辅助正渗透-反渗透混合系统（PAFO-RO），由于该系统外加压力的存在，使FO突破渗透平衡限制而进一步稀释DS，从而降低了RO过程的能耗以及膜污染。Blandin等的研究显示，由于PAFO-RO混合系统有着更高的膜通量以及更低的DS溶质反向渗透，其纯水的回收率高于FO-RO混合系统，并且其总成本也明显低于后者。

多级闪蒸（MSF）以及多效蒸发（MED）是中东国家广泛使用的海水淡化技术。这类技术的原料水前处理工艺要求较为苛刻，结垢是此类热过程面临的首要问题，必须通过前处理去除原料水中的有机物以及可溶液的固体杂质才能有效抑制结垢的产生。纳滤曾被建议作为MSF及MED的前处理工艺，但由于需要外加压力，操作费用较高，膜污染的问题也较为严重。Altaee等对FO-MSF及FO-MED混合系统用于海水淡化的模拟研究发现，FO作为前处理工艺显著地降低了原料水中的多价离子浓度，不仅有效抑制了结垢，还使后续过程的运行温度更高，且产品水的回收率也有所提高。

2.2 在污水处理中的应用

由于膜生物反应器（MBR）比传统污水处理工艺有着更优秀并且更稳定的性能，正逐渐成为广受喜爱的污水净化技术。MBR通常由微滤（MF）或超滤（UF）等这类低压膜过程组成，而微滤膜和超滤膜对如痕量有机物、离子、病毒等低分子量的污染物的截留率较低。此外，生物膜反应器的缺点还有能量消耗较传统的污水处理技术更高、膜污染严重需要经常清洗和更换等。近年来，许多研究者着眼于用FO替代MBR中的MF以及UF的可行性，力图克服其不足。渗透膜生物反应器（OsMBR）具有诸如低能耗、抗膜污染能力强、对离子及TrOCs截留率高等众多优势。OsMBR通常使用高浓度盐水或者预处理过的海水作为DS。在一些研究中，研究者们将反渗透过程与OsMBR组成混合系统，利用反渗透过程来再生稀释后的DS，并生产产品水。

尽管OsMBR具有一些得天独厚的优势，但研究表明其主要不足是溶质及其他可溶解物会在原料液侧的逐步累积。此外，由于DS溶质反向渗透现象的存在，溶质也会在反应器内累积。这些物质的累积将降低FO膜两侧渗透压差而导致膜通量的降低，并且微生物活性也会受到抑制。Wang等以及Holloway等提出一种将MF或者UF过程与FO并联再与MBR整合的混合系统。该系统中的MF/UF膜组件能够连续不断地从反应器中去除可溶解成分以及氮、磷等有益营养成分，还能降低生物反应器中的盐浓度，从而提高微生物的活性，并最终提升活性污泥对总有机碳（TOC）以及NH3-N的去除效果。UF-OsMBR-RO混合系统长达4个月的长周期实验表明，当开启UF膜组件时，系统的通量可以稳定在4.8L/m2?h超过80天，并且在124天的操作周期内不需要对膜组件进行清洁。此外，该混合系统总氮、总磷的平均去除率以及化学需氧量分别高于82%、99%、96%，并能产生符合饮用标准的产品水。这些优势足以弥补因增加超滤组件导致的投资和操作费用增加。

3 结语

正渗透技术以渗透压差作为分离过程的驱动力，促使其具有许多潜在的优势，尤其是对包含FO的混合系统而言，在其优势得到有效发挥的同时可以尽量避免其不足。正如本综述中所提及的由FO和膜蒸馏组成的混合系统能够降低总能耗，特别是有太阳能、工业废热等低成本能源可以利用的时候，这种优势就更加明显。然而从实际工业应用的角度来看，该混合系统的实际应用还需要克服诸如膜孔润湿及原料回收率低等不足。

将FO技术作为先进前处理工艺应用于脱盐混合系统可以有效地降低结垢以及膜污染，这源自于FO膜出色的抗膜污染性能以及膜污染可逆性。然而仍然需要开发具有长效抗膜污染性能的新型膜材料，才能使由FO作为前处理的混合系统具有实际应用前景。

为了克服以热分解盐作为溶质的驱动液的缺陷，开发出许多具有新颖的驱动液，诸如以磁性纳米颗粒作为溶质的驱动液以及一种聚合物水凝胶驱动液。这些新型驱动液成功地应用于不同的FO混合系统中。这些驱动液展现出高膜通量、低溶质反向渗透等优点，但其不足也是较为显著的。需要对这些驱动液的性能进行进一步的改良，以增长使用寿命，改进制备工艺以及进一步提高膜通量。在以上问题解决之前，这些具有创新性的驱动液距离实际大规模应用还有较长的路要走。

参考文献

[1] Chung T S，Zhang S，Wang K Y，et al.Forward osmosis processes：Yesterday，today and tomorrow[J]. Desalination，2011.

[2] Zhao S，Zou L，Tang C Y，et al.Recent developments in forward osmosis：Opportunities and challenges[J]. Journal of Membrane Science，2012，396（1）.

[3] Shaffer D L，Werber J R，Jaramillo H，et al.Forward osmosis：Where are we now？[J].Desalination，2014.

[4] 王亚琴，徐铜文，王焕庭.正渗透原理及分离传质过程浅析[J].化工学报，2013，64（1）.

[5] Jian-Jun Qin，WinsonCheeLoongLay，KiranArunKekre. Recent developments and future challenges of forward osmosis for desalination：a review[J].Desalination&Water Treatment，2012，39（1）.

[6] Batchelder G W.Process for the demineralization of water：US，US 3171799 A[P].1965.

[7] Mccutcheon J R，Mcginnis R L，Elimelech M.Desalination by ammonia–carbon dioxide forward osmosis：Influence of draw and feed solution concentrations on process performance[J].Journal of Membrane Science，2006.

[8] 高从堦，郑根江，汪锰，等.正渗透-水纯化和脱盐的新途径[J].水处理技术，2008，34（2）.

[9] Mcginnis R L，Mccutcheon J R，Elimelech M.A novel ammonia–carbon dioxide osmotic heat engine for power generation[J].Journal of Membrane Science，2007.

[10] Ming X，Long D N，Price W E，et al.A Forward Osmosis-Membrane Distillation Hybrid Process for Direct Sewer Mining：System Performance and Limitations[J]. Environmental Science&Technology，2013，47（23）.

[11] Yen S K，Farhana M H N，Su M，et al.Study of draw solutes using 2-methylimidazole-based compounds in forward osmosis[J].Journal of Membrane Science， 2010.

[12] Chun Xian G，Dieling Z，Qipeng Z，et al.Na+- functionalized carbon quantum dots：a new draw solute in forward osmosis for seawater desalination[J].Chemical Communications，2014，50（55）.

[13] Oriard T，Norris I，Buscall R，et al.WATER PURIFICATION METHOD：WO，WO 2010043914 A2[P].2010.

[14] Ming M L，Chung T S.Desalination process using super hydrophilic nanoparticles via forward osmosis integrated with ultrafiltration regeneration[J].Desalination，2011，278（1）.

[15] Grifantini R，Pileri P，Campagnoli S，et al.Composite polymer hydrogels as draw agents in forward osmosis and solar dewatering[J].Soft Matter，2011，7（21）.

[16] Yangali-Quintanilla V，Li Z，Valladares R，et al.Indirect desalination of Red Sea water with forward osmosis and low pressure reverse osmosis for waterreuse[J].Desalination，2011.

[17] Blandin G，Verliefde A R D，Tang C Y，et al.Opportunities to reach economic sustainability in forward osmosis–reverse osmosis hybrids for seawater desalination[J].Desalination，2014.

[18] Altaee A，Zaragoza G.A conceptual design of low fouling and high recovery FO–MSF desalination plant[J].Desalination，2014，343（5）.

[19] Alturki A A，Mcdonald J A，Khan S J，et al.Removal of trace organic contaminants by the forward osmosisprocess[J].Separation&Purification Technology，2013，103（2）.

[20] Bowden K S，Achilli A，Childress A E.Organic ionicsalt draw solutions for osmotic membrane bioreactors[J].Bioresource Technology，2012，122（10）.

[21] Zhang J，Loong W L C，Chou S，et al.Membranebiofouling and scaling in forward osmosis membrane bioreactor[J].Journal of Membrane Science，2012.

[22] Wang X，Yuan B，Chen Y，et al.Integration of micro-filtration into osmotic membrane bioreactors to prevent salinity build-up[J].Chinese Nursing Research，2014，167（6）.

[23] Holloway R W，Wait A S，Silva A F D，et al.Long-term pilot scale investigation of novel hybrid ultrafiltration-osmotic membrane bioreactors[J].Desalination，2014.

作者簡介：侯璟鑫（1984-），男，黑龙江佳木斯人，惠生工程（中国）有限公司研发工程师，博士，研究方向：化学工艺。

（责任编辑：王 波）