正渗透的应用和技术优势---窦蒙蒙(13页).doc

-正渗透的应用和技术优势-窦蒙蒙-第 - 9 - 页正渗透的应用和技术优势姓 名： 窦蒙蒙班 级： 硕士1608班学 号： 16121229指导教师： 于海琴正渗透的应用和技术优势摘要：作为一种新型膜处理技术，正渗透技术自20世纪50年代建立以来，在环保、能源、海水淡化等领域受到越来越广泛的关注;其经历了从实验室研究，中试实验，到少量的商业化应用，技术日臻完善。正渗透技术是利用自然渗透压差为驱动力的一种净水技术，为水资源和环境问题提供了低能耗、高效率的解决方法。该文介绍了正渗透的技术优势，以及正渗透在海水淡化、废水处理、污水回用、能源开发以及食品加工等领域的应用。关键词：正渗透、技术优势、海水淡化、废水处理1. 引言正渗透（Forward osmosis, FO）是近年来发展起来的一种浓度驱动的新型膜分离技术，它是依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程，是目前世界膜分离领域研究的热点之一。正渗透是浓度驱动型的膜过程，它依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力来自发的实现水在膜中的传递。也就是指水从较高的水化学势（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势（或较高渗透压）一侧区域的过程。在具有选择透过性膜的两侧分别放置两种具有不同渗透压的溶液，一种为具有较低渗透压的原料液(feed solution，FS)，另一种为具有较高渗透压的汲取液(draw solution，DS)。正渗透正是依靠正渗透膜两侧的汲取液(draw solution，DS)和原料液(feed solution，FS)间的自然渗透压差，使水分子自发地从低渗透压侧(FS侧)传输到高渗透压侧(DS侧)而污染物被截留的膜分离过程，具体如图1所示。不同于传统膜分离过程，正渗透利用低水化学势的DS从高水化学势的FS吸取纯水，无需投入额外的驱动压力，因而其能耗低1。正渗透不同于压力驱动膜分离过程，它不需要额外的水力压力作为驱动力，而依靠汲取液与原料液的渗透压差自发实现膜分离。这一过程的实现需要几个必要条件：（1）可允许水通过而截留其他溶质分子或离子的选择性渗透膜及膜组件；（2）提供驱动力的汲取液；（3）对稀释后的汲取液再浓缩途径2。早期关于正渗透过程研究均采用反渗透复合膜，发现膜通量普遍较低，主要原因是复合膜材料的多孔支撑层产生了内浓差极化现象，大大降低了渗透过程的效率。20 世纪90 年代，Osmotek 公司（Hydration Technologies Inc.(HTI)公司前身）开发了一种支撑型高强度正渗透膜，已被应用于多种领域，是目前最好的商业化正渗透膜2。正渗透膜组件形式主要有：板框式、卷式、管式和包式。各种组件形式各有优缺点，如板框式具有结构简单，易装填的优点，但又存在密封和完整性检查困难的缺点。因此应根据不同的应用领域选择合适的膜及膜组件。近年来，许多研究致力于发展高性能的正渗透膜及组件，取得了一定成果。汲取溶液是具有高渗透压的溶液体系，由溶质和溶剂(一般是水)组成。如果驱动溶液中的溶质可以通过简单、低能耗的方法分离后循环利用，那么正渗透过程就能够形成一个封闭的循环体系。文献中报道过的驱动溶质主要有：盐类如NaC1、MgC12、A12(SO4)3、NH4HCO3 等，糖类如葡萄糖、果糖等，和气体如SO2 等。其中应用较普遍的溶质是NaCl，因为它溶解度高并且其溶液很容易通过反渗透过程再浓缩。值得一提的是，McCutcheon 等采用NH4HCO3 为溶质，通过简单热挥发冷凝的方法实现产品水的分离和溶质的循环利用。正渗透膜技术是相对于反渗透技术而提出来的，与反渗透技术相比较，正渗透技术具有得天独厚的优势：独有的驱动液体系，不需要外界的压力推动分离过程，能耗低，同时由于正渗透膜材料的亲水性，因此可以有效降低膜污染，可应用于反渗透技术难以实现的废水处理中，例如染色废水、垃圾沥出液以及膜生物反应器等；在降低膜污染的同时，可降低膜清洗费用和化学清洗剂对环境的污染。正渗透过程的回收率高，避免了浓盐水的排放，环境友好；在脱盐过程中，通过选择合适的汲取液，其水回收率可达到75%，而普通反渗透水回收率为35%50%,如此高的回收率可实现浓盐水的再浓缩，即回收率高，没有浓盐水的排放，实现零排放，是环境友好型技术；正渗透操作由于具有低温低压的特点，可以广泛应用于液体食品的浓缩和药物释放等方面；另外渗透压本身就是一种绿色能源，可以通过正渗透压技术将渗透压转换为电能3。正渗透具有低能耗、低污染、高回收等特点，其运用范围非常广泛，涉及工业生产和日常生活的各方面。正渗透技术海水脱盐、发电、工业废水处理、食品工业、航空航天、制药工业得到了进一步发展，还凭借抗污染、低能耗的特点不断向传统生产工艺中渗透，与其他技术相互融合，形成创新的工业技术。本节将对正渗透在主要几个领域的应用进行介绍。最早关于应用正渗透技术处理工业废水的可行性研究报道发表于1974 年和1977 年，其目的是使用这种低能耗的过程处理微重金属污染的工业废水。他们采用序批式系统，以商业化的醋酸纤维反渗透膜为膜单元，以合成海水为汲取液，来浓缩含低浓度铜或铬离子的水，具有一定的可行性。但由于膜通量非常低（04.5L/(m2·h)），盐的截留率也不太理想，没有开展进一步的研究。3.1.2 垃圾渗滤液浓缩垃圾渗滤液主要来源于垃圾填埋场降水和垃圾本身的内含水，是一种成分复杂的高浓度的有机废水，若不加以处理而直接排入环境，会造成严重的环境污染。主要的污染物质分4 种类型：有机物、溶解性重金属离子、有机和无机氮类化合物、以及溶解性固体物质（TDS）。垃圾渗滤液毒性强、可生化性差，因此生物处理效率不高，而其他的处理方法一般对TDS去除率不高。1998 年，Osmotek 公司建立了一套中试规模的正渗透系统用于浓缩垃圾渗滤液。该系统采用Osmotek的CTA 膜，以NaCl 为汲取液，对污染物截留率高，出水产率可以达到94%96%4。且各污染物去除率高，在连续实验的过程中虽然有一定的水通量减少（30%50%），但经过膜清洗后，水通量又基本恢复至初始。并且在处理原垃圾渗滤液时，膜通量没有明显降低。在此基础上，Osmotek 公司建立了大型装置处理垃圾渗滤液，将该技术应用到年产2万4万m3垃圾渗滤液的美国CoffinButte垃圾填埋厂的垃圾渗滤液处理，其工艺流程如图2，实际运行中采用75g/L的NaCl作为DS在近一年的运行期中，共处理渗滤液万m3，平均产水率达到91.9%，除pH值降低30%外，诸如COD、CL、F、NH3N、TKN、TDS等污染物的去除率均大于97.5%最终出水平均电导率为35S/cm。表明正渗透技术处理垃圾渗滤液是较理想的处理方法5。废水生物处理厂产生大量的剩余污泥，一般采用厌氧消化来处理剩余污泥，产生的污泥消化液具有氮、磷、重金属和有机污染物高，色度和固体含量高的特点，需要浓缩和进一步的处理。采用正渗透系统处理这类废水目前已有报道。Holloway 等设计了正渗透和反渗透组合系统处理污泥消化液。采用如下流程：污泥消化液先经过150 目格栅预处理，再经过采用三醋酸纤维正渗透膜，以NaCl 为汲取液的正渗透系统，最后稀释的汲取液通过反渗透系统获得出水。由于系统很高的污泥浓度，在运行过程中，膜通量明显下降，需要进行膜清洗恢复膜通量。系统对磷酸盐、氨氮和凯氏氮的截留率分别为99%、87%和92%，几乎完全截留色度和恶臭物质，浓缩干化的污泥消化液可用作肥料。近年来，研究人员开展了采用FO膜对污泥进行脱水的应用研究。FO膜用于污泥脱水的工艺流程见图3。剩余污泥中的水透过膜组件进入驱动液（36g/L NaCl溶液），污泥得到浓缩。被稀释的驱动液通过投加NaCl保持高渗透压，以循环使用。研究结果表明，FO膜对污泥脱水的效果良好，能将MLSS从7g/L增加至39g/L；以MLSS和MLVSS计的减容率分别达到64%和80%；此外FO膜对营养物的截留效果也十分突出，NH3-N去除率达96%，磷酸盐去除率达98%，DOC去除率达99%；膜污染主要来自于污泥一侧的污泥沉积及浓差极化，经过物理冲洗即可恢复大部分的膜通量。以上优点使得FO用于污泥脱水具有很大的应用潜力6-9。3.1.4 正渗透膜生物反应器膜生物反应器（MBR）是膜分离技术与生物技术有机结合的新型水处理技术，与传统活性污泥法相比，具有出水水质好、设备占地面积小、活性污泥浓度高、剩余污泥产率低和便于自动控制等优点，是最有前途的废水处理新技术之一。传统MBR 系统采用的膜均为压力驱动型膜如超滤、微滤膜，目前制约MBR技术广泛应用的瓶颈是膜污染问题。正渗透由于过程本身具有低压、低能耗和低污染的特点，从理论上讲适合于作为膜生物反应器中的膜过程。Achilli 等发展了如图4所示的一套正渗透膜生物反应器系统处理高浓度人工配水，对有机物和氨氮的去除率分别为99%和98%。运行过程中，膜通量较高，膜污染较轻并可通过对膜面反冲洗进行有效控制10-12。Cornelissen 等发展了类似的系统并着重研究膜污染过程，发现可逆的和不可逆的膜污染均没有明显发生。图4.正渗透膜生物反应器示意图之后许多研究者着眼于用FO替代MBR中的微滤以及超滤的可行性，成为渗透膜生物反应器（OsMBR）。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。Wan等以及Holloway等提出一种将微滤或者超滤过程与正渗透并联再与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NH32h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。这些研究表明，正渗透膜生物反应器可作为传统膜生物反应器的替代技术，具有显著优势和广泛应用前景。对污水中营养物质和能量的回收也日益受到人们的重视。微生物燃料电池（MFC）能利用污水中营养物的产电潜能，是一种前景良好的水处理技术。并且MFC还具有多种功能：阳极可处理市政污水、工业废水、石油废水等；阴极可用于污水脱盐或去除重金属。但MFC存在产电效率较低、出水还需进一步处理及对清洁水的提取效果不理想等缺点。与传统的MFC相比，正渗透微生物燃料电池（OsMFC）以FO膜代替了质子交换膜（IEM）。OsMFC的原理见图5。图5.OsMFC的原理OsMFC可从污水中回收再生水，水通量为23L/（m2·h）；对污水中的营养物质进行了浓缩，有利于污水后续资源化利用；碳源为1g/L 醋酸盐条件下的能量密度为43W/m3（同等条件下使用阳离子交换膜时能量密度为40W/m3；使用阴离子交换膜时能量密度为23W/m33的电能；FO膜的传质效果优于IEM，因而能量产生效率较传统MFC有一定的提高6-9。在海水淡化领域，传统的多级闪蒸一直是主流技术，其能耗约为5.66 kWh·m3随。着膜技术的快速发展，能耗较低的反渗透海水淡化技术在海水淡化市场的份额日渐增大，在存在能量回收装置的情况下，反渗透海水淡化装置能耗可降至约 3.02 kWh·m3。正渗透技术的出现，进一步降低了海水淡化的能耗。表1为正渗透与反渗透技术用于海水渗透的比较14。McGinnis 和 Elimelech( 2007) 以碳酸氢铵为汲取液，利用精馏塔对汲取液进行重浓缩，发现利用正渗透进行海水淡化的能耗仅为 0.84 kWh·m3，与反渗透脱盐相比降低 72.1%。一座正渗透海水淡化厂，成为世界上首家建立商业化正渗透海水淡化厂的厂商。尽管如此，Altaee 等( 2014) 认为在不考虑膜污染情况下，正渗透+反渗透系统用于海水淡化的能耗高于单纯反渗透系统。因此，在可获得低成本热源并利用加热法浓缩汲取液的条件下，正渗透技术在海水淡化领域的应用前景更加广阔。虽然至今仍没有一个水脱盐的能耗标准，但反渗透的能耗问题依旧是制约膜分离技术在海水淡化领域继续发展的障碍。反渗透技术是目前比较先进的海水淡化技术，利用反渗透技术每生产1000加仑纯水，只需要花费 2 4 美元，这过程中大约会消耗 10 60 kJ 的能量，这个功耗指标已经相当高。但尽管如此，根据热能转化为电能的能耗理论计算，利用反渗透技术进行海水淡化的能耗至少是最小理论值的 9倍，因此技术改进的空间还很大。如前所述，虽然正渗透分离技术需要在膜材料和汲取液方面取得突破才可得到应用，但由于正渗透技术与反渗透技术或其他海水淡化技术相比具有能耗低的先天优势，如表1，相比而言是实现低能耗海水脱盐的最佳途径，已经在国际上引起人们的广泛兴趣，尤其是世界淡水资源严重缺乏且靠近海洋的区域，比如中东、新加坡、我国东部等地，在水资源日益短缺的今天，正渗透海水淡化技术的市场广阔，而且竞争会愈加激烈。相信在不久的将来会有越来越多低能耗的正渗透海水淡化工厂建成，在水资源有效利用领域发挥巨大作用。传统食品浓缩主要依靠热处理法和冷冻浓缩，然而这些方法不仅能耗高，且常会影响食品的口味和营养。而正渗透技术可以在常温下运行，不仅对口感和营养无影响，且能耗较低、食品浓缩倍数较高。1966 年，Popper( 1966)利用8 mol·L1氯化钠对葡萄汁进行浓缩，但由于渗透膜采用的是反渗透膜，其水通量较小，仅为2.5 kg·m2·h1；Castello 和 Elimelech等( 2009) 利用正渗透技术对蔗糖进行浓缩，发现与传统的蒸发浓缩相比，正渗透技术能耗较低，并指出其不仅在蔗糖浓缩领域，在其他食品浓缩领域也具有极佳的应用前景。徐伟和黄光胜等( 2013) 利用正渗透技术对番茄汁进行浓缩实验，发现当温度 40、氯化钠浓度为18% 时，正渗透对番茄的浓缩效率很高，番茄最终浓缩糖度可达 32°Brix 以上尽管如此，由于正渗透过程仍存在一定的溶质反向渗透，对浓缩食品的口味和品质会产生一定的影响。压力阻尼渗透(PRO) 发电全过程无碳排放，对环境影响极小，为世界清洁能源提供了一条最新途径。压力阻尼渗透(PRO) 发电主要适用于沿海地区，特别是江河入海口处，既可以利用江河的淡水作为原料液，又可利用海水或海水淡化后的浓水作为汲取液，膜活性层朝向海水测，即形成正渗透过程，淡水被汲取到海水侧，被稀释的海水以一定流速排回海中，在其排放途径中设置发电装置，即可发电产能，另外海水侧由于产生较高压力，通过压力传质装置可为原料液和汲取液提供泵入压力。压力阻尼渗透(PRO) 发电起源于20世纪70年代，然而在压力阻尼渗透(PRO) 发电起始阶段，膜功率密度极低，Statkraft 公司研究( Chung et al，2015) 认为只有膜功率密度大于5 W·m2时才具有商业应用价值；然而压力阻尼渗透过程中，由于在汲取液测会产生较高压力，在此压力下，若正渗透膜强度较低，则极易受到损坏，难以产生较高的膜功率密度。经过国内外学者长期不懈努力，目前，平板压力阻尼渗透(PRO）膜的压力可以承受22 bar，功率密度可达 18 W·m2，而中空压力阻尼渗透(PRO)膜的压力可以承受20 bar，功率密度可达 27W·m213。压力阻尼渗透(PRO) 膜的长足发展对压力阻尼渗透(PRO)发电的实际应用起了重要的推动作用，而今后，在不加重浓差极化、降低水通量的前提下，更高强度正渗透膜的研发对压力阻尼渗透发电至关重要。正渗透除应用在上述领域外，还应用于应急水袋、渗透泵等方面13。应急水袋最早由美国 HTI 公司研发并批量生产，应急水袋汲取液通常为糖类物质，将水袋投入污染水体后，水分被汲取到含有糖类侧，糖类汲取液被稀释后即可补充水分，亦可补充一定能量，甚至可利用一定量的止泻药作为汲取液，可有效缓解腹泻疾病。正渗透渗透泵的研究主要应用于医药行业，为了满足某些药物需长期缓慢持续注射的要求。渗透泵注射器含有汲取液室( 动力室) 、药物室和活塞，当汲取液汲取水分时，由于体积增大推动活塞挤压药物室，使药物缓慢注入受体。综上所述，正渗透技术在很多领域都得到了应用但正渗透过程很少单独使用，通常会与其它技术联用以再生汲取液并生产高品质水，主要联用技术为膜过滤系统，包括超滤、纳滤和反渗透。超滤主要用于分子量较大的汲取液，多为有机大分子汲取液或者聚合高分子汲取液； 纳滤系统用于部分有机汲取液和高价无机汲取液； 反渗透系统则主要用于类似于氯化钠一类的小分子无机汲取液。值得注意的是，原料液在经过正渗透处理后会被高度浓缩，要真正实现“零排放”，通常需要结合结晶器或蒸发塘进行固化，固化后一般以危险废弃物进行处理。美国HTI公司开发的FO水处理设备是一种可在战争或紧急救援情况下使用的废水净化设备，是目前FO技术少有的商业化产品。最近，美国航天局测试了一种称为“正渗透包”( Forward Osmosis Bag，FOB) 的类似的便携式水处理装置，用于航天员在太空中的废水处理再利用。FOB工作时是将盛在包外层中的废水通过FO膜渗透进入盛有蔗糖溶液的内层，有毒物质留在包的内层，宇航员就可以安全的饮用内层的蔗糖溶液。但是，该装置并不完美，存在汲取液溶质反混现象，某些有毒物质还是会通过膜进入蔗糖溶液，因此需要进一步的改善。美国宇航局项目科学家和实验室主管 Levine说，人们可以回收利用汗水、呼吸出的冷凝气，甚至是尿液，让它们变得能安全饮用，现在已经迈出了一步。另据最新报道，普柏克有限公司( UK-based company) 已签订一份合同，建造并运行世界上第一座完全商业化的 FO 装置。这座装置将用于发电和水处理，装置建成后日生产纯水200m3。以渗透压差作为驱动力的FO技术，在水处理领域引起了越来越多学者的关注。研究包括FO膜制备、FO运行、传质机理、不同类型水和废水处理中的应用等。在实验室规模研究基础上，FO技术在中试、实际应用规模的研究也逐渐开展。但仍然存在一些问题期待解决，如膜污染、汲取液再生、浓差极化、汲取液溶质返混等，使FO技术的广泛应用受到限制。未来的研究应针对这些问题在深入解析FO传质机理、膜污染过程、浓差极化过程等基础上，继续开发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。不仅进行实验室研究，还应进行实际应用规模的长期运行研究。随着科研工作的不断深入，低能耗、高回收率的FO技术一定能得到更广泛的应用前景。参考文献1陈璐斌,谢朝新,周宁玉,J. 净水技术, 2015, 34(3): 26-32.2金海洋,黄阳波,于萍.正渗透技术及其应用J. 工业用水废水, 2014, 1(45): 5-9.3许阳宇,周律,贾奇博.正渗透技术在污水资源化中的研究进展J. 化工环报, 2014, 35(2): 109-115.4范良千,罗鸿兵,陈凤辉.正渗透技术在水处理和能源开发中的研究进展J. 膜科学与技术, 2014, 4(34):120-127.5 York R J, Thiel R S,Beaudry E G. 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