正滲透膜分離技術的研究與應用

劉松山 程經國

摘要：在水資源和環境問題日益突出的背景下，正滲透膜技術作為一種綠色能源技術為上述問題提供了低能耗和高效率的解決方案。目前，這項技術在國內外廣受推崇，探索研究工作取得豐碩的成果。本文就這項技術在海水淡化、綠色能源、污水回用等領域的應用進行了分析論述，并對其發展前景進行了展望。

關鍵詞：正滲透膜；研究；應用

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（b）-0000-00

正滲透（FO）也被稱為滲透，是普遍存在于自然界的現象。FO技術的特點是運用兩種化學溶液的化學位或者滲透壓方面的差異，不需要另外施加壓力。運用FO技術中水在半透膜中的自發性、選擇性的傳遞性質，與循環性能極佳的驅動溶液相結合，在海水脫鹽領域運用極為廣泛。

一、正滲透膜材料

（一）用于減壓滲透的復合正滲透膜

在對復合正滲透膜的制備過程中，研究者們對五十多種支撐材料進行了試驗，運用相轉變法，可達到1.3W/m2 的性能，如果運用強度較高的材料，通過MPD和TMC進行界面聚合成膜。在制備復合膜的時候，如果運用有機溶劑，則其溶劑很可能去除有機酸，有機膜的完整性得到保存的同時其性能沒有降低。除此之外，對甲酸對膜性能的影響程度進行了考察，甲酸能夠水解正滲透膜表面的聚酰胺，使其轉化為分子顆粒較小的聚合物，并與膜分離溶解于水中，在這個過程中，膜的水通量得到了很大提高同時水解過程中，會產生酸和氨基團，二者能夠重新排列組合成為一體，在膜通量提升的過程中，截留率保持在95%左右的水平。表1對正滲透膜材料及其主要性能進行了列舉。從表中可以看出，PBI中空纖維FO是一種具有高通量的材料。

（二）驅動溶液

在正滲透技術中，另外一部分關鍵內容便是對驅動溶液的選擇，驅動溶液能夠產生滲透壓，因此是一個具有滲透壓的體系。一種較為理想的驅動溶質應當達到下列標準：1）在水環境中為了產生理想的滲透壓，應當具備高溶解度和小分子量。2）具有無毒害性以至于可以在水中安全存在。3）與正滲透膜在化學反應上能夠兼容，二者不發生化學反應。4）在透水分離和溶液驅動方面具有方便性和經濟性。通常情況下，運用最為普遍的驅動溶液是Nacl，Nacl在溶解性、可循環性、無結垢性等方面具有突出優勢，但是Nacl具有分離困難的弊端。

二、在相關領域中的應用

FO在綠色環保方面具有突出的優勢，因其低能耗、低污染以及高回收等特點在污水處理等領域運用潛力非常大。正滲透技術在發電、工業廢水處理、食品、航天等領域具有很大的運用潛力，正滲透技術還憑借其在抗污染及其低能耗方面的突出優勢，在傳統工業生產工藝中也廣受推崇，它與其他技術手段緊密結合，正在形成性的創新點。

（一）海水淡化

雖然在上個世紀六、七十年代在海水淡化領域就有人提出運用正滲透膜的理念，但是受制于關鍵技術，例如膜和驅動溶液，所以這個想法與技術沒有得到廣泛運用。現階段，膜與驅動溶液的技術難題已經得到解決，國外相關專與學者在海水脫鹽領域對正滲透膜的運用進行了綜合而系統地研究，并且研發了一種新型系統。國外學者將上述系統分成兩段，前者是正滲透膜部分，實現了海水中淡水向高化學勢向低化學勢的轉化。這種系統中的驅動液選取混合銨鹽，混合銨鹽具有理想的滲透壓，能夠較為便捷地實現與海水的分離。

后者是驅動溶液的回收部位，提取于海水中的水稀釋銨鹽溶液，然后在宜的溫度下（60℃左右），通過加熱，銨鹽被分解為銨和CO2，通過循環使用最后剩余的便是稀鹽水，通過柱狀蒸餾即可獲取純凈水。通過軟件模擬可以發現，驅動溶液經過稀釋之后濃度降低為1.5mol/L，相對于MSF，運用FO耗電量可以降低85%，相對于RO，耗電量可減低72%。在運用FO進行海水淡化的整個過程中，耗電量僅為0.25kW.h/m3，比目前運用最廣泛的脫鹽技術的能耗降低1.6-3.02kW.h/m3。在現階段FO運用于海水脫鹽領域已經處于中試階段。

（二）食品和醫藥方面

FO技術具有顯著的操作低溫低壓性，這項優勢與上文中論述的低能耗、低污染特性相結合，使得FO技術在液體食品濃縮領域得到了廣泛運用，對液體食品從生產到儲存，的整個過程都非常有利。在該領域傳統的方式為熱處理法，濃縮模式包括真空蒸發和冷凍，然而前者對那些熱敏性物質會產生及其不利的影響，存在破壞食品口感和營養成分的可能性，并且能耗非常高，這些缺陷限制了其運用范圍。反滲透法的膜很容易遭到污染，并且濃縮程度不太理性，因此使用范圍與價值也很有限。

FO技術所運用的膜具有納米或者微米級別的孔，合理運用這一特征，能夠通過膜孔的直徑進行控制來對物質的擴散速度進行改變，制造出擴散控制的藥物運輸系統對藥物釋放實踐進行延長，從而定點、定量地將藥物運輸至體內。為了將這一事件更好地延長，美國ALzet公司于上世紀七十年代設計了滲透泵，這個滲透泵能夠憑借一個小孔將釋放速率降至最低，藥物持續釋放時間可以長達一年。

二、 正滲透技術展望

FO是一種新型的膜技術，在工業廢水處理、發電、航天工業等領域正在逐漸深入與滲透。在現階段，FO技術還很難與傳統的水處理技術，即反滲透技術相抗衡。但是FO技術過程與材料在環保性等方面具有無可比擬的優越性，正在工業污水、航天工業等領域得到認可與運用。與此同時FO技術已經處于中試階段，相信在不就的將來，FO必將成為一項具有超強競爭力的綠色能源技術。

在現階段，FO技術絕大部分還處于理論實驗階段，距離在化工領域的運用以及在對主流的水處理技術取而代之的目標仍然有很長一段路。FO技術由于其運用過程中存在著特別嚴重的內濃差極化現象，在海水淡化和食品加工領域，FO技術通量不太理想，因此FO技術要想在市場中得到廣泛應用，解決膜材料的設計和制備是前提條件。FO材料抗污染性佳，但是其化學和物理原理與機制尚不明確，這方面需要更加深入地探討與研究。目前FO技術應用領域還相當有限，如何結合實際生產需要對FO材料進行設計，是正滲透膜技術得以廣泛運用的前提條件。

參考文獻：

[1]逯鵬.抗污染性正滲透膜的研制及其在海水淡化中的應用[D].濟南大學，2014.

[2]楊建華.二醋酸纖維素/三醋酸纖維素共混正滲透膜的制備與性能研究[D].濟南大學，2014.

[3]劉蕾蕾，王鐸，汪錳，高從堦.三醋酸纖維素正滲透膜制備過程中影響因素的研究[J].膜科學與技術，2011，01：77-83.