新型聚酰胺復合正滲透膜對重金屬的脫除效果

楊超臣 喻雄 冉美惠 馬英 谷戰英 林錫柱 李建安

摘要：以新型聚酰胺復合正滲透膜的2種膜方位[膜的活性層朝向原料液（即AL-FS模式）和膜的活性層朝向汲取液（即AL-DS模式）]對5種不同的重金屬原料液進行處理。結果表明，在AL-DS模式下各處理的正向水通量都高于在AL-FS模式下的，且同一重金屬原液在2種模式下水通量差異極顯著（P<0.01）。反向鹽通量表現為 AL-DS 模式高于AL-FS模式，但只有砷、汞的反向鹽通量在2種模式下差異顯著（P<0.05）。對于同一重金屬原液，Js/Jw 值表現為 AL-DS模式均低于AL-FS模式，且2種模式下的Js/Jw值都低于0.02。2種模式下對汞的攔截效果都很好，攔截率分別達到99.50%（AL-DS模式）、90.66%（AL-FS模式），其中以鉛、砷、汞為原液時，重金屬攔截率表現為AL-DS模式高于AL-FS模式，以鎘、鉻為原液時結果相反。

關鍵詞：新型聚酰胺復合正滲透膜;不同膜朝向;AL-FS模式;AL-DS模式;重金屬;水處理

中圖分類號： X712? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0222-03

收稿日期：2017-10-24

基金項目：2014年度引進國際先進林業科學技術項目（編號：2014-4-26）;湖南省教育廳優秀青年科學研究項目（編號：16B278）;湖南省校企合作創新創業教育基地（編號：2016-436-10）。

作者簡介：楊超臣（1991—），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為經濟林生態栽培與利用。E-mail：1358058246@qq.com。

通信作者：李建安，博士，教授，博士生導師，研究方向為經濟林生態經營。E-mail：lja0731@126.com。

正滲透水處理技術（forward osmosis，簡稱FO）由于其低能耗、膜污染較低、易于清洗、高截留、高水回收率等優點，獲得了較好的發展空間[1]。與反滲透相比，正滲透是一個滲透驅動膜過程，利用溶液滲透壓差驅動水從原料液側透過半透膜到達驅動膜側。正滲透優勢明顯，有望成為反滲透技術聯合水處理的最佳輔助手段[2]。

正滲透水肥一體化灌溉技術在重金屬污染地區農林生產中有重要應用前景，特別是在有較高利用價值的經濟作物栽培灌溉上，正滲透處理后的汲取液可直接用于灌溉苗木，可大幅度減少農作物肥料污染，是獲得綠色農產品的關鍵。而獲得高效正滲透膜是應用這一技術的關鍵。近幾年來，正滲透膜技術不斷改進，相繼出現了不同的正滲透膜[3-6]，正滲透技術又重新回歸人們的視野，但是關于正滲透膜對重金屬截取率以及有機污染物的研究并不多。由于目前多數正滲透膜水通量不高，影響了正滲透技術的發展，復合正滲透膜因其性能良好、具有相對高的水通量等特點得到越來越多研究者的重視[7-8]。

正滲透汲取液是影響正滲透過程的另一個重要因素。在廢水正滲透處理方面，有研究采用天然海水作為正滲透汲取液處理生活廢水[3]，因為天然海水在濱海地區易于獲得且產物水易于處理。澳大利亞悉尼科技大學的Phuntsho等將化肥作為正滲透過程的汲取液[9-10]，實現了水處理與農田灌溉的有機結合。

本研究采用正滲透技術，以磷酸二氫鉀溶液作為汲取液，以重金屬廢水作為原料液，研究新型聚酰胺復合正滲透膜對水中重金屬的處理效果，以及將該技術應用于葡萄、油茶、棗樹等的灌溉效果，以期為正滲透的改進、正滲透在重金屬污染地區的灌溉用水凈化及正滲透水肥一體化灌溉的應用提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

正滲透水處理設備，由西安皓海嘉水處理科技有限責任公司生產;新型聚酰胺復合正滲透膜，由中國海洋大學研制（聚砜多孔支撐膜有效面積為0.02 m2，支撐厚度為79 μm，膜厚度為96 μm）;TDS-3筆，購自廣州家貝科技有限公司;AFG原子吸收分光光度計、PF7原子熒光光度計，購自北京普析通用儀器有限責任公司;UV-7504c紫外分光光度計，購自上海精密科學儀器有限公司。

1.2 試驗原理

正滲透處理小試設備操作流程見圖1。

1.3 試驗方法

試驗于中南林業科技大學經濟林育種與栽培國家林業局重點實驗室進行，試驗時間為2017年1—5月。分別以濃度均為1 mg/L的汞、鉻、鎘、砷、鉛重金屬溶液作為原料液，以 1 mol/L 磷酸二氫鉀溶液作為汲取液并置于25 ℃水浴鍋中，分別對聚酰胺復合膜不同朝向[膜的活性層朝向原液（即AL-FS 模式）和膜的活性層朝向汲取液（即AL-DS模式）]的膜性能和重金屬攔截情況進行測試。汲取液流速為 0.4 L/min，原液流速為4 L/min，開啟設備，每15 min記錄1次數據，運行2 h后取水樣50 mL，裝入聚乙烯瓶中，貼好標簽。檢測水樣中的重金屬含量。試驗設置3次重復。

按照下列公式計算正向水通量、反向鹽通量、Js/Jw及R：

式中：Jw為正向水通量， 是t（h）時間透過面積為A（m2）的正

滲透膜的水量ΔW，L/（m2·h）;ρw為水的密度，kg/m3。

式中：Js為反向鹽通量，mol/（m2·h）;v1為t1時間原液的體積，L;v2為t2時間原液的體積，L;TDS1為t1時間原液的溶解性總固體濃度，mg/L;TDS2為t2時間原液的溶解性總固體濃度，mg/L;t1為記錄開始時間，h;t2為記錄結束時間，h;（t2-t1）取值 30 min;2 721.8為毫克轉化為克的系數1 000、膜面積0.02 m2和磷酸二氫鉀的摩爾質量136.09 g/mol的乘積。

Js/Jw反映膜的攔截性能，與水通量、反向鹽通量相關。

綜上，綜合考慮4種指標，建議采用AL-DS模式以提高灌溉水處理效率。提高正滲透膜的性能是正滲透領域正在解決和有望解決的問題，這也將從根本上解決正滲透的瓶頸問題。

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