水处理中正渗透膜分离技术的应用
摘要：渗透（osmosis）是一种仅依靠渗透压驱动的分离过程,基于渗透现象发展起来的正渗透膜分离技术,目前该技术在国际都得到了广泛的应用。本文章综述了水处理中正渗透膜分离技术应用过程的基本原理、应用现状以及水处理正渗透膜分离技术的应用领域,并对未来水处理中正渗透膜分离技术的应用方向提出了展望。希望在未来其技术能得到更加广泛的应用与发展。
关键词：正渗透应用水处理膜分离技术
一、前言
20世纪60年代起，对膜分离技术从实验室研究已经进入到了工业行业的实际应用，直至现在，它已应用到水处理，食品加工，制药工程，医学以及能源等不同的领域。正渗透(Forward osmosis，FO)是一种不需外加压力做驱动力，而仅依靠渗透压驱动的膜分离过程。正渗透膜分离技术与外加压力驱动的膜分离技术最大的区别就是正渗透膜分离技术不需要外加压力或在较低的外加压力下运行，并且膜污染情况相对较轻，在持续长时间运行后无需清洗。水处理中正渗透膜分离技术目前在国际上诸如美国、新加坡、欧洲等国家和地区已得到大量研究和应用。
二、水处理中正渗透膜分离技术的基本原理
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)—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)，另一种为具有较高渗透压的驱动液(Draw solution)，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一侧透过选择透过性膜到达驱动液—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的时候，水仍然会从原料液压一侧流向驱动液—侧，这种过程叫做压力阻尼渗透(Pressure-retarded osmosis，PRO)。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。水处理中正渗透膜分离技术应用正是基于这种原理。
三、水处理正渗透膜分离技术应用现状
正渗透膜过程，具有三低优势，即低压操作，低能耗和低污染，在水处理领域已得到了一定的应用。但是国内并不多见其应用报道，所以说应用不是很多，尽管如此，这一技术仍然具有很大的应用价值和光明的应用前景。如果要大范围普及正渗透膜分离技术，仍需做很多努力。包括了我国对正渗透膜分离技术研究不多，特别是在水处理应用上缺乏经验参数，这需要进行大量的实验，从而积累经验；目前所拥有的正渗透膜性能太低，品种不全、不优；缺少既经济又高效的汲取液体系和汲取液再浓缩途径。
鉴于水处理正渗透膜分离技术仍存在比较多的问题，在今后的研究和应用方面应该从这些方面的着手突破，极大推动正渗透技术在水处理中的广泛应用，以促进新一代水处理工艺的高效发展。总之，对水处理正渗透膜分离技术的研究，都应该围绕如何提高正渗透过程的水回收率、如何提高正渗透过程中的分离效率、以及如何降低正渗透过程的运行成本等方面进行。
四、水处理中正渗透膜分离技术应用领域
正渗透膜分离技术最初在工业废水处理的应用是在20世纪70年代，研究者为了在低能量消耗下浓缩工业废水中存在的重金属，采用了正渗透分离过程，实验的结果显示水通量比预期的偏低，研究虽然被迫中止，但是他们的研究成果为正渗透膜的研究发展奠定了基础。尽管目前依靠渗透压驱动的正渗透膜分离技术的应用范围，并没有达到各种依靠外加压力驱动的膜分离技术应用那么普及，但是它已在诸如水处理、食品加工工程、医药学、生物工程及能源等领域得到了应用，在水处理中，正渗透膜分离技术已经被大量应用在污水处理，水质净化，海水淡化以及废水回用等方面。
（一）在水质净化方面的应用
1 水质净化的过程需要对水进行处理和循环利用。水是生命之源，在人类探索太空的历程中需要提供安全的水，这是太空任务过程中的关键问题之一。太空任务中进行水质净化首先要对水进行回收，可回收的水源包括日常用水，尿液以及湿冷空气中水分。美国针对太空任务开发了直接渗透浓缩系统，即DOC系统对太空任务中的水处理和循环利用。DOC系统预处理存在两个子系统，一个是正渗透过程，另一个是正渗透与膜蒸馏结合过程（用于分离尿素和尿酸类物质），采用氯化钠驱动溶液将废水浓缩后，利用反渗透从稀释的汲取液中分离得到纯净水。
2 水处理正渗透技术商业化应用。从脏水中提取干净的饮用水，是由正渗透膜做成一个密封的包，里面有可以食用的汲取溶液（包括糖类和饮料粉未）。当把这个密封的膜包放入脏水中时，水在渗透压作用下扩散进入膜包，稀释后的汲取溶液便是可饮用水。但是由于这一过程不需要外加压力或者是驱动力，提取的水没有受生物和外在有机物的污染，所以这种方法比较适用于野外救生和军事方面。
（二）在海水淡化方面的应用
利用海水淡化技术从海水中制取饮用水已成为当代取得淡水的一种重要捷径。利用正渗透技术进行海水淡化最早可追溯到上世纪六七十年代。但是由于膜和驱动溶液等核心问题没有解决，绝大部分技术薄弱，可行性低，而且传统能源价格较低，正渗透方法在学术和工业界都无法与反渗透技术相提并论。近年来，由于能源与环境问题越来越突显，研究者对于正渗透膜技术处理海水淡化的进一步探索，证明该技术已经进入了中试阶段。
（三）在废水处理方面的应用
正渗透膜在废水处理中的应用，大多时候是起着浓缩污染物的作用，它并不是最终处理过程，但却是一个高效率的前处理过程。正渗透膜在废水处理应用方面包括生活废水与工业废水的处理。采用正渗透膜进行废水处理先后经历了序批式系统，以商业化的醋酸纤维RO 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，但这一方法并不理想；采用了中试规模的FO系统用于浓缩垃圾渗滤液。并证明是一种比较理想的处理方法；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，并被称为是最有前途的废水处理新技术之一。
五、结语
正渗透方法在许多行业上仍然处于探索性阶段，如何解决在应用与实际当中的关键性技术难题，是正渗透技术能够得到广泛应用的关键所在。水处理正渗透膜分离技术虽然已经得到了广泛的应用，但是由于经验的缺乏，参数不足，各项技术的不到位，仍旧需要做很多方面的努力。但是作为一种潜在的水纯化和淡化新兴技术,国际上正对正渗透进行着全方位、多角度、深层次的理论研究和实践探索。由于正渗透过程本身存在着能耗低、分离过程简单等诸多潜在优势，相信随着研究的深人，它在今后必将得到更加广泛的应用与发展。
参考文献：
[1]任建新，膜分离技术及其应用. 化学工业出版社，2003.(12).
