正滲透技術(shù)是近年來(lái)新興的水處理技術(shù),其研發(fā)初始即指向各種高難度廢水的處理回用及物料分離領(lǐng)域,是一項(xiàng)有廣闊發(fā)展空間的水處理技術(shù)。目前對(duì)該技術(shù)的研究重點(diǎn)集中在膜材料和汲取液的選擇上。從正滲透的原理出發(fā),介紹了正滲透膜材質(zhì)及汲取液的前沿科技成果,分析了未來(lái)正滲透膜材質(zhì)和汲取液選擇的方向。最后,總結(jié)了正滲透技術(shù)的優(yōu)勢(shì),并對(duì)正滲透的未來(lái)應(yīng)用做了展望。
隨著日益增強(qiáng)的環(huán)境保護(hù)意識(shí),人們對(duì)資源的節(jié)約利用越來(lái)越重視,水作為一項(xiàng)人類生產(chǎn)生活必需的有限資源,得到了越來(lái)越多的關(guān)注。
從單純的節(jié)約用水,發(fā)展到現(xiàn)在對(duì)水的多次重復(fù)利用,回用水的概念在國(guó)內(nèi)不再陌生,對(duì)水的回用率和回用水水質(zhì)也有了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)及要求?;赜盟畯淖畛醯暮?jiǎn)單利用,如用于沖廁、沖洗道路,發(fā)展到現(xiàn)在可作為工藝用水;從最初的部分回用,發(fā)展到最終零排放。隨著回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及回用率的提高,對(duì)回用水的處理工藝提出了更高的要求。
對(duì)于有高水質(zhì)要求的回用水,幾乎都會(huì)用到膜處理工藝。反滲透技術(shù)作為目前最為經(jīng)濟(jì)有效的脫鹽技術(shù),已得到廣泛認(rèn)可。但隨著對(duì)回用水水質(zhì)和回收率標(biāo)準(zhǔn)的提高,反滲透技術(shù)的不足也顯現(xiàn)出來(lái),如較差的抗污染能力、濃縮結(jié)垢等問(wèn)題已成為該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。正是由于反滲透技術(shù)存在的不足,促進(jìn)了正滲透技術(shù)的發(fā)展。
一、正滲透原理
對(duì)于正滲透技術(shù)的原理并不陌生,在研究反滲透技術(shù)時(shí),就是先從滲透原理開始的,這種自然滲透現(xiàn)象其實(shí)就是目前正滲透技術(shù)所依據(jù)的原理。
正滲透技術(shù)在工業(yè)水處理、海水淡化、廢水零排放領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊
正滲透即是自然滲透,是指水從較高水化學(xué)位(或較低滲透壓)一側(cè)區(qū)域通過(guò)選擇透過(guò)性膜流向較低水化學(xué)位(或較高滲透壓)一側(cè)區(qū)域的過(guò)程。正滲透正是應(yīng)用了膜兩側(cè)溶液的滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)力,才使得水能自發(fā)地從原料液(具有較低滲透壓)一側(cè)透過(guò)選擇透過(guò)性膜到達(dá)驅(qū)動(dòng)液(具有較高滲透壓)一側(cè)。當(dāng)對(duì)滲透壓高的一側(cè)溶液施加一個(gè)小于滲透壓差的外加壓力時(shí),水仍然會(huì)從原料液一側(cè)流向驅(qū)動(dòng)液一側(cè),此過(guò)程叫做壓力阻尼滲透。壓力阻尼滲透的驅(qū)動(dòng)力仍然是滲透壓,因此它也是一種正滲透過(guò)程。
二、正滲透核心技術(shù)
正滲透如果作為商用的凈水技術(shù),需解決2個(gè)大問(wèn)題:一是要使水以高通量通過(guò)半透膜,并保證膜的使用壽命以及長(zhǎng)時(shí)間的抗污染能力;二是能將汲取驅(qū)動(dòng)液的溶質(zhì)從溶液中分離出來(lái)。這也即是正滲透的2個(gè)核心技術(shù)問(wèn)題:一個(gè)是正滲透膜材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的選擇;另一個(gè)是汲取驅(qū)動(dòng)溶液的選擇。
1、正滲透膜的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)
在正滲透技術(shù)中,半透膜材料是核心材料。早期研究人員使用非對(duì)稱反滲透復(fù)合膜來(lái)研究正滲透過(guò)程,發(fā)現(xiàn)該類膜不適用于正滲透,主要原因是復(fù)合膜的多孔支撐層內(nèi)產(chǎn)生了內(nèi)濃差極化現(xiàn)象,大大降低了滲透過(guò)程的效率。因此,對(duì)于正滲透膜材料的研究集中在尋找滲透效率高的膜材質(zhì)上,以減輕內(nèi)濃差極化,解決膜通量、污染物截留率的問(wèn)題。此外,還要保證膜的物理強(qiáng)度和耐化學(xué)性能。
目前最好的商業(yè)化正滲透膜材料是美國(guó)HTI公司的支撐型高強(qiáng)度膜,該膜為3層結(jié)構(gòu):致密皮層、多孔支撐層和網(wǎng)格支撐層。致密皮層和多孔支撐層為親水性,呈電中性,厚度約為50μm。據(jù)報(bào)道,該材料是由醋酸纖維素類高分子材料制備而成,結(jié)構(gòu)中增加圓形纖維用以增強(qiáng)材料的力學(xué)強(qiáng)度。
此外,以挪威Statkraft公司為核心的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了與反滲透膜材料類似的復(fù)合正滲透膜材料,用于PRO過(guò)程,其利用淡水和海水混合自由能獲得能源。研究團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)小組使用強(qiáng)度較高的聚醚酰亞胺中空纖維膜作為支撐層,通過(guò)界面聚合成膜,制成中空纖維式復(fù)合正滲透膜。與反滲透膜材料相比,復(fù)合正滲透膜支撐層具有較高的開孔率,能夠有效降低內(nèi)濃差極化。
新加坡國(guó)立大學(xué)開發(fā)了聚苯并咪唑(polybenz-iazole,PBI)中空纖維納濾膜材料,膜表面帶正電荷,對(duì)二價(jià)陽(yáng)離子有較高的截留率,已在實(shí)驗(yàn)室中證明具有較好的正滲透性能。該膜材料外皮層結(jié)構(gòu)較為致密,內(nèi)表面開孔,水透過(guò)性能是目前所報(bào)道數(shù)據(jù)中最好的。
除了內(nèi)濃差極化問(wèn)題,還需要解決另外一個(gè)重要的問(wèn)題,即正滲透膜的化學(xué)耐受性,主要是對(duì)于酸堿的耐受及氧化劑的耐受。由于正滲透的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域多為污染程度較高的污廢水,水本身的pH范圍寬,可能存在大量氧化類物質(zhì),因此要求膜有很好的化學(xué)耐受性。同時(shí),由于來(lái)水的污染程度高,清洗頻率更高,為了清除大量復(fù)雜的膜表面污染,使用更高濃度的酸堿或氧化劑在所難免。因此,為了延長(zhǎng)膜的使用壽命,在膜的化學(xué)性能耐受方面必須進(jìn)行改進(jìn)。
膜的化學(xué)耐受性能主要受到兩方面因素的制約:一是膜材質(zhì)本身的性能;另外一個(gè)是膜的黏結(jié)劑、膠水的性能。目前的有機(jī)膜材質(zhì)普遍耐氧化性能差,醋酸纖維類材質(zhì)略好,但基本無(wú)法滿足使用氧化劑進(jìn)行清洗,僅是提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。隨著材料科技的發(fā)展,新的膜材料的應(yīng)用可能會(huì)徹底解決這類問(wèn)題。
綜合起來(lái),作為正滲透膜應(yīng)具備以下幾個(gè)特征:(1)致密、低孔隙率的皮層,具有高截留率;(2)膜的皮層具有較好的親水性、較高的水通量;(3)膜支撐層盡量薄,孔隙率高;(4)有較高的機(jī)械強(qiáng)度;(5)具有耐酸堿的抗化學(xué)腐蝕能力,可以在較寬的pH范圍以及各種不同組成的溶液條件下正常運(yùn)行。
2、驅(qū)動(dòng)溶液的選擇
以脫鹽過(guò)程為例,正滲透過(guò)程利用化學(xué)位作為驅(qū)動(dòng)力,不需要與反滲透過(guò)程類似的壓力驅(qū)動(dòng)。提供化學(xué)位的體系為汲取驅(qū)動(dòng)溶液。驅(qū)動(dòng)溶液是具有高滲透壓的溶液體系,由驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)和溶劑(溶劑一般為水)組成。正滲透過(guò)程通過(guò)汲取驅(qū)動(dòng)液從原液中吸收溶劑(一般為水),再分離驅(qū)動(dòng)液的溶質(zhì)溶劑,達(dá)到提純凈化的目的。這就要求驅(qū)動(dòng)溶液中的溶質(zhì)可以通過(guò)簡(jiǎn)單、低能耗的方法與溶劑分離,之后再循環(huán)利用,使正滲透過(guò)程能夠形成一個(gè)封閉的循環(huán)體系。
汲取驅(qū)動(dòng)溶液是正滲透過(guò)程順利進(jìn)行的關(guān)鍵組成部分,其高滲透壓是由驅(qū)動(dòng)液中的溶質(zhì)產(chǎn)生的。理想的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)應(yīng)該具備以下特征:(1)在水中應(yīng)具有較高的溶解度、較小的相對(duì)分子質(zhì)量,從而能產(chǎn)生較高的滲透壓驅(qū)動(dòng)力;(2)無(wú)毒,在滲透過(guò)程環(huán)境條件下,在水中的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定;(3)與正滲透膜化學(xué)相容,不與膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng),不改變膜材料的性能和結(jié)構(gòu);(4)能夠通過(guò)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法與水分離,能夠重復(fù)使用。
自20世紀(jì)60年代到目前為止,文獻(xiàn)中報(bào)道過(guò)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)包括:鹽類如NaCl、MgCl2、Al2(SO4)3、NH4HCO3,糖類如葡萄糖、果糖等。其中,NH4HCO3可以通過(guò)加熱分解達(dá)到分離目的,其他驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)可以利用反滲透進(jìn)行分離。
使用反滲透分離驅(qū)動(dòng)溶質(zhì),對(duì)其含量有一定的限制,溶質(zhì)含量過(guò)高,無(wú)法利用反滲透技術(shù)進(jìn)行分離,而正滲透所需要的高滲透驅(qū)動(dòng)力,又必須依賴汲取驅(qū)動(dòng)液的高溶質(zhì)含量才能達(dá)到。由此,在驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的選擇上,目前的研究主要集中在可受熱分解類的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)。在受熱分解類溶質(zhì)中,銨鹽類物質(zhì)越來(lái)越受到關(guān)注,因?yàn)榇祟愇镔|(zhì)可以在較低的溫度條件下與水分離,所需要的分離溫度為溶質(zhì)受熱分解溫度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水汽化溫度,從而使正滲透過(guò)程能耗大大降低,更具有經(jīng)濟(jì)性。
汲取液溶質(zhì)分離之后的反混,是正滲透另外一個(gè)重要過(guò)程。如果將正滲透技術(shù)做工程應(yīng)用,汲取液溶質(zhì)被分離后必須能快速反混,以再次產(chǎn)生汲取液,這個(gè)過(guò)程要求是一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的過(guò)程,這樣才能保證汲取液提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)壓力。為達(dá)到上述目標(biāo),需要反混裝置能提供適合的反混條件,包括溫度、壓力、混合條件等。反混的過(guò)程可采用連續(xù)混入或者多個(gè)反混罐輪流運(yùn)行。
三、正滲透技術(shù)優(yōu)勢(shì)
相對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過(guò)程如微濾、超濾和反滲透,正滲透從過(guò)程本質(zhì)上講具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):(1)可低壓甚至無(wú)壓操作,因而能耗較低;(2)對(duì)許多污染物幾乎可完全截留,分離效果好,膜抗污染能力強(qiáng);(3)正滲透采用特殊的溶質(zhì)配制汲取驅(qū)動(dòng)液,可以人為控制配制高濃度的汲取液,從而得到更高的滲透驅(qū)動(dòng)壓力,達(dá)到更高的水回收率;(4)正滲透過(guò)程是一個(gè)自然發(fā)生的過(guò)程,膜污堵也是一個(gè)自然衰減的過(guò)程,在運(yùn)行上能夠更好地控制和觀察膜的污堵,對(duì)比反滲透工藝,可以大大降低對(duì)于進(jìn)水水質(zhì)的要求,從而能夠處理一些反滲透無(wú)法處理的高污染類廢水,或者大大減少預(yù)處理工藝,做到工藝的集成整合。
另外,正滲透技術(shù)可應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,不僅僅局限于水處理方面,也可應(yīng)用于電力、醫(yī)藥等行業(yè)。
四、正滲透技術(shù)應(yīng)用前景
1、水處理領(lǐng)域
(1)工業(yè)水處理
在全球水資源緊張的情況下,可以將正滲透膜應(yīng)用于污水處理并生產(chǎn)高品質(zhì)的供水用于工業(yè)用水。在處理高濃度污水時(shí),可考慮聯(lián)合使用正滲透膜及反滲透膜。首先利用正滲透膜將含有復(fù)雜污染物的高污染廢水轉(zhuǎn)移至單一溶質(zhì)的汲取驅(qū)動(dòng)液中,再利用反滲透對(duì)汲取驅(qū)動(dòng)液中的水進(jìn)行提取,克服了反滲透耐污能力差的缺點(diǎn)。該技術(shù)可以處理原本無(wú)法直接使用反滲透進(jìn)行處理或者需要復(fù)雜的預(yù)處理后才能進(jìn)入反滲透系統(tǒng)處理的污水。
正滲透技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)需求潛力巨大,尤其是在反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水處理方面。因?yàn)榉礉B透產(chǎn)生的濃水,不僅TDS被濃縮3~4倍,COD、NH4+-N、TN等有機(jī)污染物同樣被高倍數(shù)濃縮,反滲透系統(tǒng)已無(wú)法進(jìn)一步處理該濃水,而正滲透技術(shù)恰恰可以滿足這一技術(shù)要求。
(2)海水淡化
早期利用正滲透技術(shù)進(jìn)行海水淡化的研究很多,但大多數(shù)都不成熟,主要瓶頸在于無(wú)法找到合適的汲取驅(qū)動(dòng)液。目前,美國(guó)耶魯大學(xué)開發(fā)出一種新型混合銨鹽溶液作為正滲透汲取液,這種汲取液可以在40℃條件下與水分離,大大降低了能耗,從而使正滲透的海水淡化真正實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)可行性。據(jù)報(bào)道,如果應(yīng)用此類汲取液,正滲透應(yīng)用在海水淡化領(lǐng)域的能耗僅為反滲透的1/10。由于正滲透還具備高回收率和低污染的優(yōu)點(diǎn),在未來(lái)海水淡化領(lǐng)域,正滲透技術(shù)很可能得到大規(guī)模應(yīng)用。
(3)廢水零排放
在廢水零排放項(xiàng)目中,蒸發(fā)系統(tǒng)的噸水投資和運(yùn)行成本巨大。如果在零排放項(xiàng)目中可以降低進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)的水量,將大幅度降低成本。
正滲透技術(shù)在液體零排放領(lǐng)域的應(yīng)用前景顯而易見,其可以將反滲透濃水再次濃縮或直接高倍數(shù)濃縮污水,打破現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于有機(jī)污染物及鹽分的耐受瓶頸,大幅度降低進(jìn)入蒸發(fā)器的水量。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)在煤化工、汽車等行業(yè)逐漸推行零排放,尤其是在資源型缺水地區(qū)和兩湖流域。未來(lái)對(duì)于零排放的推行必然逐步加大,這將成為正滲透技術(shù)的另一片發(fā)展之地。
2、其他領(lǐng)域
除水處理領(lǐng)域外,正滲透技術(shù)在食品濃縮、醫(yī)藥、發(fā)電等領(lǐng)域也有著很好的應(yīng)用前景。
食品工業(yè)中通常需要去除液體中的水分來(lái)增強(qiáng)食品穩(wěn)定性,從而延長(zhǎng)食品的保存期限,同時(shí)降低食品運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本。正滲透技術(shù)可以在低溫低壓條件下操作,能很好地保持食品的物理性質(zhì),再加上其低能耗、低污染的特點(diǎn),已逐漸在食品濃縮領(lǐng)域得到推廣,并有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝。
在醫(yī)藥方面,基于滲透原理,利用正滲透膜孔徑一般為納米或更小等級(jí)這一特點(diǎn),可以通過(guò)控制膜孔大小來(lái)改變藥物滲透速度,延長(zhǎng)藥物釋放時(shí)間,從而定點(diǎn)、定量地將藥物傳輸?shù)襟w內(nèi)。
壓力阻尼滲透(PRO)可以利用液體間的滲透壓差產(chǎn)生電能,PRO發(fā)電站具有占地面積小,對(duì)環(huán)境影響小,電力輸出穩(wěn)定,成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)。
近年來(lái),以美國(guó)、以色列和新加坡為代表的國(guó)家投入大量資金對(duì)正滲透技術(shù)進(jìn)行研究,并取得了階段性研究成果。而國(guó)內(nèi)對(duì)正滲透技術(shù)的研究則剛剛起步。但無(wú)論如何,正滲透技術(shù)的種種優(yōu)勢(shì)已經(jīng)展現(xiàn)在人們面前,且技術(shù)研發(fā)也日趨成熟。種種跡象表明,正滲透技術(shù)有可能是未來(lái)水處理領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù),該技術(shù)將會(huì)在未來(lái)的海水淡化、苦咸水脫鹽、工業(yè)及市政污水回用領(lǐng)域完全替代現(xiàn)有的反滲透系統(tǒng),并且在其他物料分離甚至發(fā)電領(lǐng)域,正滲透技術(shù)也有著巨大的應(yīng)用潛力。
來(lái)源:工業(yè)水處理 作者:尉鳳珍
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