正滲透（Forward osmosis, FO）是近年來發(fā)展起來的一種濃度驅動的新型膜分離技術，它是依靠選擇性滲透膜兩側的滲透壓差為驅動力自發(fā)實現(xiàn)水傳遞的膜分離過程，是目前世界膜分離領域研究的熱點之一。相對于壓力驅動的膜分離過程如微濾、超濾和反滲透技術，這一技術從過程本質(zhì)上講具有許多獨特的優(yōu)點，如低壓甚至無壓操作，因而能耗較低；對許多污染物幾乎完全截留，分離效果好；低膜污染特征；膜過程和設備簡單等。在許多領域，特別是在海水淡化、飲用水處理和廢水處理中表現(xiàn)出很好的應用前景。
作為一種新型的技術，近年來，以美國、以色列和新加坡為代表的國家投入大量資金進行研究，并且取得了階段性成果。而國內(nèi)的研究剛剛起步，還未見相關的應用報道。雖然國內(nèi)近兩年開始有文章介紹這一技術，但是都不夠系統(tǒng)或準確。針對以上情況，本文就正滲透膜技術在水處理中的應用進展作以綜述。
1 原理與特點
1.1 基本原理
Lee 等(1981)[1]較早地概況總結了反滲透(RO)、正滲透(FO)和減壓滲透((Pressure Retarded Osmosis,PRO)過程的工作原理，如圖1 所示。在RO 過程中，水在外加壓力作用下從低化學勢側通過滲透膜擴散至高化學勢側溶液中( Δπ<ΔP)，達到脫鹽目的。正滲透過程剛好相反，水在滲透壓作用下從化學勢高的一側自發(fā)擴散到化學勢低的一側溶液。而減壓滲透可認為是反滲透和正滲透的中間過程，水壓作用于滲透壓梯度的反方向，水的凈通量仍然是向濃縮液方向。這三個過程可以用下式來描述：Jw＝A（σΔπ-ΔP）；式中Jw—水通量；A—膜的水滲透性常數(shù)；σ—反擴散系數(shù)；Δπ—膜兩側的滲透壓差；ΔP—膜兩側的壓力差。
1.2 技術特點
如上所述，正滲透不同于壓力驅動膜分離過程，它不需要額外的水力壓力作為驅動力，而依靠汲取液與原料液的滲透壓差自發(fā)實現(xiàn)膜分離。這一過程的實現(xiàn)需要幾個必要條件：（1）可允許水通過而截留其他溶質(zhì)分子或離子的選擇性滲透膜及膜組件；（2）提供驅動力的汲取液；（3）對稀釋后的汲取液再濃縮途徑。
早期關于正滲透過程研究均采用反滲透復合膜[2-4]，發(fā)現(xiàn)膜通量普遍較低，主要原因是復合膜材料的多孔支撐層產(chǎn)生了內(nèi)濃差極化現(xiàn)象，大大降低了滲透過程的效率。20 世紀90 年代，Osmotek 公司（Hydration Technologies Inc.(HTI)公司前身）開發(fā)了一種支撐型高強度正滲透膜，已被應用于多種領域，是目前最好的商業(yè)化正滲透膜[5]。正滲透膜組件形式主要有：板框式、卷式、管式和包式。各種組件形式各有優(yōu)缺點，如板框式具有結構簡單，易裝填的優(yōu)點，但又存在密封和完整性檢查困難的缺點。因此應根據(jù)不同的應用領域選擇合適的膜及膜組件。近年來，許多研究致力于發(fā)展高性能的正滲透膜及組件[6-7]，取得了一定成果。
汲取溶液是具有高滲透壓的溶液體系，由溶質(zhì)和溶劑(一般是水)組成。如果驅動溶液中的溶質(zhì)可以通過簡單、低能耗的方法分離后循環(huán)利用，那么正滲透過程就能夠形成一個封閉的循環(huán)體系。文獻中報道過的驅動溶質(zhì)主要有：鹽類如NaC1、MgC12、A12(SO4)3、NH4HCO3 等[8-10]，糖類如葡萄糖、果糖等[11]，和氣體如SO2 等[12]。其中應用較普遍的溶質(zhì)是NaCl，因為它溶解度高并且其溶液很容易通過RO 過程再濃縮。值得一提的是，McCutcheon 等[10]采用NH4HCO3 為溶質(zhì)，通過簡單熱揮發(fā)冷凝的方法實現(xiàn)產(chǎn)品水的分離和溶質(zhì)的循環(huán)利用。
正滲透膜技術是相對于反滲透技術而提出來的，與反滲透技術相比較，正滲透技術具有得天獨厚的優(yōu)勢：獨有的驅動液體系，不需要外界的壓力推動分離過程，能耗低；材料本身親水，沒有外加壓力推動，可以有效防止膜污染；在脫鹽過程中，回收率高，沒有濃鹽水的排放，實現(xiàn)零排放，是環(huán)境友好型技術。發(fā)展到現(xiàn)在，正滲透技術已不僅僅限于海水淡化領域的應用，其應用范圍已經(jīng)拓展至水凈化、廢水處理及食品醫(yī)藥等領域。本文主要探討在水處理中的應用進展。
2 在海水淡化中的應用
利用海水淡化技術從海水中制取飲用水已成為人們?nèi)〉玫囊环N重要手段。目前，世界上裝機應用的海水淡化方法主要有反滲透(RO)、多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MED)和壓汽蒸餾(VC)等。RO 和MSF 方法是目前海水淡化的主導技術。盡管20 世紀六七十年代就有采用正滲透技術進行海水淡化的探索，并有相關專利問世[8, 12]。但遺憾的是，其中大部分專利技術不夠成熟，可行性不強。正滲透方法在學術和工業(yè)界都無法與反滲透技術相提并論。
近年來，能源和環(huán)境危機將正滲透推向舞臺，相關的研究報道日漸增多。表1 總結了文獻可查的大部分應用。
表1 正滲透在海水淡化中的應用
注: 均為實驗室小試規(guī)模。
從表1 可以看出，所有的應用還只停留實驗室規(guī)模，早期的膜存在通量小的問題，而采用HTI 公司的膜和新研制的膜可以達到較高的膜通量。這些研究表明，采用正滲透技術進行海水淡化在技術上是可行的。需要著重說明的是，近四年來，美國耶魯大學的Elimelech 課題組在這方面做了許多有意義的研究探索[10, 13-16]。他們采用HTI 公司商品化的正滲透膜和NH4HCO3 汲取液，通過柱蒸餾或膜蒸餾的方法進行汲取液的濃縮，工藝流程如圖2 所示。結果表明，鹽截留高于95%，水通量大于25L/(m2·h)，整個FO 過程電能消耗為0.25kWh/m3，低于目前脫鹽技術的電能消耗，顯示出很好的應用前景。目前他們已開發(fā)了中試規(guī)模的裝置用于海水淡化[17]。這些研究極大推動了正滲透技術在海水淡化中的應用進程。
3 在水凈化中的應用
3.1 生命支持系統(tǒng)
空間站和星際旅行都需要對水進行處理和循環(huán)利用。太空任務中可回收的水源有日常用水，尿液和空氣水分。美國宇航局（NASA）聯(lián)合Osmotek 公司開發(fā)了直接滲透濃縮系統(tǒng)，即DOC 系統(tǒng)用于太空任務中的水處理和循環(huán)利用[22-23]。最初的DOC 測試系統(tǒng)處理流程如圖3 所示，包括一個反滲透處理系統(tǒng)和2 個DOC 預處理子系統(tǒng)，一個是正滲透過程、另一個是正滲透與膜蒸餾結合過程(用于分離尿素和尿酸類物質(zhì))，采用氯化鈉驅動溶液將廢水濃縮后，利用反滲透從稀釋的汲取液中分離得到純凈水。
DOC 系統(tǒng)的研發(fā)和優(yōu)化經(jīng)歷了三個階段[24]。第一階段（1994-1999 年）主要完成系統(tǒng)的設計、搭建和基本功能的測試；第二階段（2002~2004 年）完成對系統(tǒng)全面的測試和操作條件的優(yōu)化，主要工作由內(nèi)華達大學完成；第三階段（2004-2007 年）在前兩個階段的基礎上對系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，建立了新的系統(tǒng)模型。在這一過程中，發(fā)現(xiàn)HTI 公司的CTA 膜比商業(yè)化的RO 膜性能好很多，這主要是因為CTA 膜獨特的膜結構顯著降低了內(nèi)濃差極化。能耗方面，在大多數(shù)操作條件下，系統(tǒng)能耗低于30kWh/m3。對系統(tǒng)的進一步優(yōu)化目前正在進行中。
3.2 Hydration 水提取膜包
Hydration 水提取膜包是目前僅有的幾個正滲透技術商業(yè)化應用之一。當飲用水缺乏時用于從臟水中獲得飲用水。其結構如圖4 所示，由正滲透膜做成一個密封的包，里面放有可食用的汲取溶液（糖類和飲料粉未）[25]。當把這種膜包浸入臟水中時，水在滲透壓作用下擴散進入膜包，稀釋的汲取溶液就是可飲用的水溶液。由于這一過程不需要外加能源，得到的水沒有生物和外在有機物的污染，特別適用于野外救生和軍事應用。
4 在廢水處理中的應用
4.1 工業(yè)廢水濃縮
最早關于應用正滲透技術處理工業(yè)廢水的可行性研究報道發(fā)表于1974 年[26]和1977 年[27]，其目的是使用這種低能耗的過程處理微重金屬污染的工業(yè)廢水。他們采用序批式系統(tǒng)，以商業(yè)化的醋酸纖維RO膜為膜單元，以合成海水為汲取液，來濃縮含低濃度銅或鉻離子的水，具有一定的可行性。但由于膜通量非常低（0~4.5L/(m2·h)），鹽的截留率也不太理想，沒有開展進一步的研究。
4.2 垃圾滲濾液濃縮
垃圾滲濾液主要來源于垃圾填埋場降水和垃圾本身的內(nèi)含水，是一種成分復雜的高濃度的有機廢水，若不加以處理而直接排入環(huán)境，會造成嚴重的環(huán)境污染。主要的污染物質(zhì)分4 種類型：有機物、溶解性重金屬離子、有機和無機氮類化合物、以及溶解性固體物質(zhì)（TDS）。垃圾滲濾液毒性強、可生化性差，因此生物處理效率不高，而其他的處理方法一般對TDS去除率不高。
1998 年，Osmotek 公司建立了一套中試規(guī)模的FO 系統(tǒng)用于濃縮垃圾滲濾液[28]。該系統(tǒng)采用Osmotek的CTA 膜，以NaCl 為汲取液，對污染物截留率高，出水產(chǎn)率可以達到94%~96%。并且在處理原垃圾滲濾液時，膜通量沒有明顯降低。在此基礎上，Osmotek 公司建立了大型裝置處理垃圾滲濾液，平均產(chǎn)水率達到91.9%，最終出水平均電導率為35μS/cm[28]。表明正滲透技術處理垃圾滲濾液是較理想的處理方法。
4.3 污泥消化液濃縮
廢水生物處理廠產(chǎn)生大量的剩余污泥，一般采用厭氧消化來處理剩余污泥，產(chǎn)生的污泥消化液具有氮、磷、重金屬和有機污染物高，色度和固體含量高的特點，需要濃縮和進一步的處理。采用FO 系統(tǒng)處理這類廢水目前已有報道。Holloway 等[29]設計了FO 和RO組合系統(tǒng)處理污泥消化液。采用如下流程：污泥消化液先經(jīng)過150 目格柵預處理，再經(jīng)過采用三醋酸纖維FO 膜，以NaCl 為汲取液的FO 系統(tǒng)，最后稀釋的汲取液通過RO 系統(tǒng)獲得出水。由于系統(tǒng)很高的污泥濃度，在運行過程中，膜通量明顯下降，需要進行膜清洗恢復膜通量。系統(tǒng)對磷酸鹽、氨氮和凱氏氮的截留率分別為99%、87%和92%，幾乎完全截留色度和惡臭物質(zhì)，濃縮干化的污泥消化液可用作肥料。
4.4 正滲透膜生物反應器
膜生物反應器（MBR）是膜分離技術與生物技術有機結合的新型水處理技術，與傳統(tǒng)活性污泥法相比，具有出水水質(zhì)好、設備占地面積小、活性污泥濃度高、剩余污泥產(chǎn)率低和便于自動控制等優(yōu)點，是最有前途的廢水處理新技術之一。傳統(tǒng)MBR 系統(tǒng)采用的膜均為壓力驅動型膜如超濾、微濾膜，目前制約MBR技術廣泛應用的瓶頸是膜污染問題。
正滲透由于過程本身具有低壓、低能耗和低污染的特點，從理論上講適合于作為膜生物反應器中的膜過程。這方面的探索目前剛起步，文獻可查的只有2處報道。Achilli 等[30]等發(fā)展了如圖5 所示的一套正滲透膜生物反應器系統(tǒng)處理高濃度人工配水，對有機物和氨氮的去除率分別為99%和98%。運行過程中，膜通量較高，膜污染較輕并可通過對膜面反沖洗進行有效控制。Cornelissen 等[31]發(fā)展了類似的系統(tǒng)并著重研究膜污染過程，發(fā)現(xiàn)可逆的和不可逆的膜污染均沒有明顯發(fā)生。這些研究表明，正滲透膜生物反應器可作為傳統(tǒng)膜生物反應器的替代技術，具有顯著優(yōu)勢和廣泛應用前景。
5 結語
綜上所述，正滲透膜過程，相對于壓力驅動的膜過程，具有低壓操作、低能耗和低污染的顯著優(yōu)勢，在水處理領域已得到了一定的應用。國內(nèi)目前還未見相關的應用報道，主要的進展是由高從階和徐南平院士帶領的團隊得到了2009 年國家重大基礎研究973 項目的支持。盡管目前的應用還不是很多，這一技術已表現(xiàn)出潛在應用價值和非常好的應用前景。但要大范圍推廣應用正滲透技術，特別是在我國應用這項技術，目前仍存在許多難題有待研究。主要有：（1）現(xiàn)有的正滲透膜性能較差，品種稀少。（2）缺少經(jīng)濟高效的汲取液體系和汲取液再濃縮途徑。（3）缺乏經(jīng)驗參數(shù)。具體參見http://wlmqsb.com更多相關技術文檔。
由于對正滲透技術的研究不多，尤其是在國內(nèi)，所以存在實際水處理應用經(jīng)驗參數(shù)缺乏的問題，這就要求大量的實驗支持。鑒于此，今后的研究和應用應從以上方面著手，這些方面的突破將極大推動正滲透技術在水處理中的廣泛應用，促進新一代水處理工藝的出現(xiàn)和發(fā)展。
