正滲透膜的制備方法及應用

石崢 陳慶林 魏小龍 高維潞 王衛國 施瑞芝 張麗君

摘要：本文介紹了正滲透（FO）膜的基本工作原理及未來發展趨勢，闡明了幾個典型的正滲透膜的制備方法、特性、優化以及正滲透技術的應用。

關鍵詞：正滲透;優缺點;膜優化;膜應用

Preparation?Method?and?Application?of?Forward?Osmosis?Membrane

Shi?Zheng???Chen?Qinglin??Wei?Xiaolong???Gao?Weilu????Wang?Weiguo

Shi?Ruizhi???Zhanglijun

Changchun?Institute?Of?Technology??JilinChangchun??130012

Abstract：This?article?introduces?the?basic?working?principles?and?future?development?trends?of?forward?osmosis?（FO）?membranes，and?clarifies?the?preparation?methods，characteristics，optimizations?and?applications?of?forward?osmosis?technologies?for?several?typical?forward?osmosis?membranes.

Keywords：Forward?osmosis;Advantages?and?disadvantages;Membrane?optimization;Membrane?application

正滲透（FO）技術憑借自身的低能源效率和無污染性等優勢得到了社會和人們的普遍重視。正滲透過程的動力是來自原料液和汲取液之間的滲透壓差，即水由水化學勢高的原料液一側自發通過正滲透膜擴散到水化學勢低的汲取液一側，此過程不需要任何外部能耗。因此，與傳統由壓力驅動的膜分離工藝（如反滲透）相比，如下圖1，正滲透工藝在生產過程中具有能源消耗低、水資源回收率Changchun?Institute?Of?Technology???Changchun，?Jilin??130012是由于膜材質的不同導致膜的各性能（截留性、水通量、膜污染情況、抗反滲透性等）有較大差距，因此制備具備具有高截留、高水通量、低膜污染以及抗反滲透性強的正滲透膜成為研究的重點[1]。

圖1??整滲透膜與反滲透膜原理圖

1?典型的正滲透膜制備方法及應用

1.1?聚酰胺類膜

1.1.1?膜制備方法

聚酰胺復合膜[2]是一種能夠具有優良薄膜耐熱性高溫并且易于用作化學試劑處理作用的新型高分子化學薄膜，其由支撐層和分離層組成，支撐層是在保證膜機械性能穩定的同時提高膜的水通量，分離層可以有效地提高膜的截留率。復合型基膜的開發制備生產工藝基本方法主要原理：第一步是用相轉換法來制備多孔支撐層的同時再通過改變制備膜時的溫度、聚合物濃度以及膜后處理等因素來得到最佳的支撐層，但其厚度不大于150μm;第二步是選擇間苯二胺和均苯三甲酰氯來制備超薄分離層，這兩種單體會在多孔支撐層上界面瞬間聚合;第三步是通過人為改變單體的濃度，找到最佳濃度來并控制界面聚合條件來得到最佳的超薄分離層[3]，其厚度只要0.01～0.1μm。

1.1.2膜特性

芳香族聚酰亞胺[4]的耐熱性能良好、剛度大、熔點高;且可以長時間在250～300℃下長時間使用;用可溶于有機溶劑的聚酰胺酸在基板上涂抹均勻后進行200℃的高溫處理（脫水），就會形成聚酰亞胺薄膜在基板上。該膜的性質非常穩定，耐熱且在有機溶劑中不溶解。被稱為共溶劑輔助界面聚合（CAIP）的聚酰胺膜[5]相比之前的復合膜表現了出更高的水通量且沒有明顯的脫鹽損失。2010年，Elimelech[6]的團隊就已經首次成功開發生產出復合式正反高滲透性薄膜和固體支撐基膜[7]。

1.2?醋酸纖維素類膜

1.2.1?膜制備方法

相轉換法制備膜是使用一定組分成分的相聚合物溶液配制得到，而醋酸纖維素類膜的制備用的就是相轉換法，首先以醋酸酐和纖維素為主要原料、聚酯篩網為支撐材料，通過乙酰化反應生產出醋酸纖維素（CA，CTA）薄膜材料[8]。具體方法是：第一步把已經干燥完成的CA或者CA和CTA混合物加入到體積比確定的1，4-二氧六環、甲醛、乳酸和丙酮的混合溶液里并在室溫下用玻璃棒攪拌均勻使完全溶液，然后靜置一天以上。第二步使用刮刀在涂有支撐材料的玻璃板上掛一定厚度的薄膜并要求控制溫度和改變濕度讓其在空氣中揮發半分鐘（去除溶劑），在放入去離子水中并改變水溫使其發生膠凝，從而制成非對稱膜。

1.2.2?膜特性

以醋酸纖維素為主要原料而制備的薄膜材料雖然具有親水性良好、水流通量大、污染小、易受氯、耐氧化、機械運動強度高等諸多優點，但也存在容易被水解、耐酸堿性差（ph=5-7）[9]、易產生微粒和生物黏附等缺陷。2012年李[10]考察了不同的CA濃度、環境濕度、凝膠浴溫度以及熱處理溫度幾個因素對CA正滲透膜性能的影響。經研究表明當CA濃度在體積分數選定到為10.4%～13.9%，濕度達到70%;凝膠浴的溫度為0℃～15℃;熱處理溫度在50℃～60℃時，相對水通量和截留率為最佳。

2?正滲透膜技術的應用

正滲透技術因為能耗低、水回收率高等優勢得到了廣泛的關注，并已在食品、藥學、能源等領域尤其在水淡化領域有成功的嘗試。

2.1?橙汁濃縮

濃縮果汁可以延長果汁的保質期，并降低儲存和運輸的成本。諸如反滲透之類的膜工藝通常用于澄清和濃縮果汁，由于濃縮極化和膜污染，通常導致最高濃度僅為25%到30%。傳統的濃縮方法，例如蒸餾，會引起氣味，味道和營養成分的損失，從而降低了產品的質量并消耗了大量的能量。然而，正向滲透（FO）過程依賴于膜兩側的滲透壓差來自發地將水從原料液體的一側驅動到汲取液體的一側。在此過程中，不需要外部壓力并且能耗低。在正向滲透過程中，汁液在常溫常壓下濃縮，可以確保其質量不會降低，并且膜的污染很小，從而增加了膜在處理過程中的使用壽命，也大大降低了成本[11]。

2.2?制藥工業

在我國制藥制品工業中，正滲透性薄膜技術廣泛用于豐富各種制藥系列產品，準確地高效傳輸和快速釋放各種藥物。Alzet公司設計出具有正滲透膜納米孔徑的正滲透泵。有一個小孔，藥物每次釋放時的速率極低，連續多次釋放藥物時間很有可能會長達1年。楊等[13]研究使用雙層復合聚苯并苯環咪唑-單層聚醚砜/單層聚乙烯復合吡咯烷酮中間真空膜富集酶的藥物裂解產品（也例如藥物裂解酶），發現這種中空膜不易被其他蛋白質載體污染而被用于制成藥物裂解液。該酶純度高，相關特性無變化。GE[14]等研究使用使用Na-Cr-OA和C作為正常高滲透性的吸收抑制劑，可將新鮮牛奶中血清蛋白的能量富集率大幅提高20%。

2.3?廢水處理

1998年，Osmotek公司組裝了一套實驗室規模的FO系統，對在Corvallis?Oregon的Coffin?Butte垃圾填埋廠的垃圾滲濾液進行了濃縮試驗[15]。實驗結果表明，對未經濃縮預處理的中性滲濾液及其進行一次過濾時，此系統對膜的TDS、TSS、TKN、COD的截留率均在94%～96%，過濾成膜后的水通量也沒有明顯程度衰減;但對未經濃縮的中性滲濾液及其進行多次過濾時，過膜的表層水通量衰減了30%～50%，經過多次清洗后的水通量基本完全恢復。在實驗室成功運行后，Osmotek公司設計和組裝了一套大型膜滲透系統，實現了FO系統的工程應用。

3?結語

正滲透膜技術由于自身具有低能耗、低膜污染的特殊優點，在許多工業和科學技術領域中都已經得到了廣泛的應用，但也因膜材質不同造成結果的差別;同時，膜的耐腐蝕性和抗污染性、后期清潔的難易程度和膜的動力學特性等都是我們所需要進行的。因此，尋找合適的薄膜材料，開發和研究一種力學性能較強且穩定性良好的薄膜材料，制備具有高通量、延長使用壽命和耐污染物的正滲透薄膜將成為未來研究方向。相信通過不斷的研究努力，性能更加優越的FO薄膜將會被研發和應用到各個方面，FO?技術也必將具有更為廣闊的市場和應用前景。

參考文獻：

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Desalination，1975，16（2）：151-155.

基金：吉林省教育廳科學技術研究項目（JJKH20210678KJ）;長春工程學院大學生創新創業訓練計劃資助項目（202011437077）

作者簡介：石崢（2000一??），男，漢族，安徽滁州人，學生，研究方向為污水資源化。