1 引言

　　膜分離技術(shù)由于出水水質(zhì)高、設(shè)備簡單易操作、能耗相對較低、適應(yīng)性強等特點，在水處理領(lǐng)域獲得越來越多的關(guān)注.目前應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的幾種膜分離技術(shù).其中微濾(microfiltration，MF)、超濾(ultrafiltration，UF)、納濾(nanofiltration，NF)和反滲透(reverse osmosis，RO)由機械壓力驅(qū)動傳質(zhì)過程，是水和廢水處理的常規(guī)技術(shù).其他膜技術(shù)，如溫度差驅(qū)動的膜蒸餾技術(shù)(membrane distillation，MD)，電場驅(qū)動的電滲析技術(shù)(electro-dialysis，ED)，一些由化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的膜吸收技術(shù)(membrane absorption，MA)等也成為水處理領(lǐng)域的新型技術(shù).正滲透(forward osmosis，F(xiàn)O)是一種由滲透壓(濃度差)驅(qū)動的新型膜技術(shù).可用于海水脫鹽、廢水處理等方面.

　　FO膜是一種滲透膜.名義孔徑在1 nm以下，用于截留溶解性離子和鹽類等物質(zhì)，與RO相當(dāng).但與RO相比，F(xiàn)O無需外加機械壓力，具有低壓操作、低膜污染、高截留的優(yōu)點，近年來在水處理領(lǐng)域受到較多關(guān)注.

　　2 FO原理(Basic principle of FO)

　　FO膜是一種選擇性滲透膜，膜的一側(cè)是低滲透壓的待處理水，另一側(cè)是高滲透壓的汲取液，水分子透過FO膜從低滲透壓側(cè)擴散到高滲透壓側(cè)，從而實現(xiàn)水與雜質(zhì)的分離(圖 1).該過程的驅(qū)動力是膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，不需外界提供壓力.

　　圖 1 FO工藝的原理示意圖

　　2.1 FO應(yīng)用與運行效果

　　2.1.1 海水(濃鹽水)脫鹽

　　FO已被用于含鹽廢水、含鹽地下水、鹽湖水和海水的脫鹽.大多數(shù)為實驗室規(guī)模的小試研究，汲取液采用難揮發(fā)性(NaCl，Na2SO4，MgSO4等)或揮發(fā)性(NH3/CO2和NH4HCO3)鹽溶液.其中Zhao等進行的鹽湖水脫鹽，回收率達到70%.McGinnis等采用中試規(guī)模的FO處理高鹽水(TDS>70，000 ppm)，回收率達到60%，與蒸發(fā)濃縮技術(shù)相當(dāng)，出水水質(zhì)達標(biāo)(美國賓州地表水排放標(biāo)準(zhǔn)TDS < 500 mg·L-1，氯化物 < 250 mg·L-1，鋇 < 10 mg·L-1鋇，鍶 < 10 mg·L-1).

　　2.1.2 城市污水處理

　　Li等采用實驗室規(guī)模FO處理模擬城市徑流，發(fā)現(xiàn)FO能保持較高的滲透水通量和截留率，實現(xiàn)穩(wěn)定運行，微量金屬離子、磷、硝酸鹽和總氮的截留率可分別達到98%~100%、97%~100%、52%~94%和65%~85%，能夠克服傳統(tǒng)膜技術(shù)能耗高等缺陷.Linares等也利用FO處理模擬城市污水，進行實驗室規(guī)模的研究，多數(shù)微量金屬離子的截留率均高于99%，COD和磷的截留率將近99%，氨和總氮的截留率可分別達到67%~68%和56%~59%.FO作為城市污水的一種處理方法，實現(xiàn)其穩(wěn)定、連續(xù)和長期運行是重要目標(biāo).

　　2.1.3 污水深度處理

　　Cath等利用生活污水處理廠的二級和三級處理單元的出水和被污染的地表水作為待處理水，通過FO技術(shù)來制備飲用水，其對有機化合物的截留率較高(雙氯芬酸>99%，二甲苯氧庚酸>80%，萘普生>90%，水楊酸>72%).在放大規(guī)模的中試試驗中，F(xiàn)O對氨、硝酸鹽和紫外(UV)吸收類化合物的截留率分別達到74%、78%和85%;Yangali-Quintanilla等也采用二級出水(沙特阿拉伯的吉達魯韋斯污水處理廠)作為待處理水，間接稀釋紅海的海水，能量消耗為1.5 kWh·m-3，低于RO工藝的能耗(2.5~4 kWh·m-3).

　　2.1.4 特殊類型廢水

　　FO還被用于染料廢水、太空廢水、含油廢水、含氯廢水、垃圾滲濾液等特殊類型廢水處理的研究中.Ge等對染料(酸橙8)廢水進行濃縮處理，濃縮倍數(shù)達3;同樣，Zhao等也對染料(活性艷紅K-2BP)廢水進行處理，截留率基本為100%.此外，F(xiàn)O被應(yīng)用到太空廢水的回用，廢水中所含的尿素被完全截留，廢水的回收率達95%以上，.Hickenbottom等采用FO對原油和天然氣開采時產(chǎn)生的鉆井污泥及廢水進行處理，水回收率為80%以上;Zhang等利用FO處理含油廢水，廢水中的油分子、NaCl和醋酸被截留，水回收率可達90%.Kong等利用FO處理含氯廢水中的九種鹵乙酸，截留率達73.8%.Cath等提到Osmotek(現(xiàn)HTI公司)利用中試規(guī)模FO處理垃圾滲濾液，平均水回收率達91.9%，多數(shù)有害物的截留率高于99.0%，最終出水污染物排放量達到美國污染物排放系統(tǒng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn).

　　3 影響FO運行的因素

　　3.1 膜

　　FO膜是由支撐層和活性層構(gòu)成的非對稱性結(jié)構(gòu).支撐層使FO膜擁有較好的機械強度，結(jié)構(gòu)相對疏松.而活性層相對于支撐層要薄，結(jié)構(gòu)致密，透水性和截留性好，在FO分離過程中起關(guān)鍵作用.理想的FO膜需要滿足以下要求：①高水通量和高鹽截留量;②低濃差極化;③較強的耐酸堿性.

　　3.1.1 膜材料(制備與改性)

　　最早的商業(yè)化的FO膜是美國HTI公司生產(chǎn)的三醋酸纖維素膜/醋酸纖維素膜(cellulose triacetate/cellulose acetate，CTA/CA).該纖維素膜有親水性強，高水通量，低膜污染和高機械強度，耐氯等優(yōu)點，但是易水解、耐酸堿性差(pH 3~8).后來生產(chǎn)的復(fù)合薄膜(thin-film composite，TFC)，材質(zhì)是聚酰胺，該膜克服了前者的缺點，在pH為2~11都有較好的滲透性和穩(wěn)定性，同時具有很好的耐壓性.疏水性的支撐層提高了TFC膜的水通量，減小了內(nèi)部濃差極化.

　　近年來研究者針對不同需求制備FO膜.采用相轉(zhuǎn)化法制備CTA/CA膜.研究者發(fā)現(xiàn)影響制備的條件主要為環(huán)境濕度、凝膠浴溫度、熱處理溫度、填充劑和退火溫度.也有研究者采用界面聚合法制備TFC膜，基膜為聚醚砜或聚砜，以間苯二胺(MPD)、均苯三甲酰氯(TMC)等作溶劑，在基膜上進行聚合得到復(fù)合膜.樊晉瓊等通過超聲將不同量的TiO2顆粒分散(約5 min)在水相或有機相中，采用界面聚合制備了TiO2/聚酰胺復(fù)合膜，膜的水通量是未添加TiO2膜的2倍，截鹽率可以達到99.9%.

　　此外，一些研究者為了緩解FO膜污染或提高FO截留效果對現(xiàn)有FO膜進行化學(xué)改性.Nguyen等采用兩性離子氨基酸(L-DOPA)對CTA膜支撐層表面進行修飾，發(fā)現(xiàn)修飾后的膜具有更強的親水性和防垢性，其污染程度要比未修飾膜低30%.Castrillón等用伯胺和聚乙二醇對TFC膜進行表面修飾，修飾后的膜防垢性同樣增強，修飾后和未修飾的膜的水通量降低量分別是7.2%±2%和15.7%±5.3%.Wang等通過對二芐氯和聚苯并咪唑的交聯(lián)實現(xiàn)了對FO膜孔徑的控制，使FO對氯化鈉的截留率高達99.5%.

　　3.1.2 膜性質(zhì)

　　目前已知對FO運行效果有影響的膜性質(zhì)主要為表面電荷、親疏水性、粗糙度、活性層及支撐層的厚度、孔隙率、彎曲度和孔結(jié)構(gòu)等.FO膜表面往往帶負電荷，會與被截留的污染物產(chǎn)生靜電(排斥或吸引)作用，從而影響污染物的去除.疏水性相對較強的膜會使疏水的物質(zhì)在膜表面沉積，形成污染層.膜表面形貌(粗糙度)也會影響污染物與膜之間的作用力，從而對膜污染產(chǎn)生影響.而活性層及支撐層的厚度、孔隙率、彎曲度和孔結(jié)構(gòu)則更多地影響內(nèi)外部濃差極化，詳見本文4.1節(jié).

　　3.1.3 膜方向

　　FO膜是非對稱性膜，支撐層疏松，活性層致密.水處理過程中根據(jù)活性層朝向分為兩種運行模式：活性層朝向原水(active layer facing the feed solution，AL-FS)和活性層朝向汲取液(active layer facing the draw solution，AL-DS).膜方向?qū)λ�通量、截留率和膜污染也有較大影響.

　　多數(shù)學(xué)者認(rèn)為AL-FS比AL-DS模式具有優(yōu)勢.研究者在FO截留微量硼、砷、藥物(卡馬西平，磺胺甲惡唑)、鹵乙酸(HAA)、二級出水中所含有機物(腐殖酸，生物聚合物，小分子酸等)的研究中發(fā)現(xiàn)AL-DS模式下，水通量雖然高，但會發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)部濃差極化和膜污染，因此降低污染物的去除率.

　　也有學(xué)者認(rèn)為AL-DS模式更好.Zheng等采用FO對水中四環(huán)素進行去除的過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH為7~8時，四環(huán)素帶負電，由于FO膜支撐層所帶的負電荷要高于活性層，在AL-DS模式下增強了膜與四環(huán)素之間的排斥作用，提高了其截留率.

　　此外，Zhao等認(rèn)為膜方向的選擇決定于廢水的成分，當(dāng)處理高污染的廢水(廢水回用，膜生物反應(yīng)器和食物蛋白的濃縮)或含鹽量較高的水(海水脫鹽和鹽水濃縮)時，膜方向應(yīng)選用AL-FS模式，可以減少膜污染，實現(xiàn)穩(wěn)定和高水通量的運行;反之，則采用AL-DS模式.

　　3.2 汲取液

　　汲取液產(chǎn)生FO的推動力，對FO效率具有直接影響.汲取液再生一直是限制FO廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一.汲取液的選取應(yīng)該滿足以下要求：高于原水的滲透壓、易于再生、低返混擴散性、安全無毒、成本低、抗生物污損等.

　　3.2.1 汲取液種類

　　(1)無機鹽類

　　質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，水溶性強的無機鹽，可以產(chǎn)生高的滲透壓，使FO具有較高的水通量.如KHCO3，NaHCO3，KCl，NaNO3和KNO3，NaCl等.

　　質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高的無機鹽，如NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、Ca(NO3)2、(NH4)2SO4等，往往具有溶質(zhì)返混通量較低的優(yōu)勢.

　　從降低汲取液再生成本角度，一些無機鹽具有自身特性.如MgSO4和Na2SO4，由于SO42-可以被NF膜截留，因此可采用NF替代RO進行再生.NH4HCO3用作汲取液，通過適當(dāng)加熱，可生成氨氣和二氧化碳(繼續(xù)回用)，從而得到較純凈的水，與現(xiàn)有的膜技術(shù)相比，能耗節(jié)省72%~85%.CuSO4作為汲取液時，回收時采用與Ba(OH)2發(fā)生置換反應(yīng)，生成Cu(OH)2和BaSO4沉淀的方法，此過程無能量消耗，而且生成的Cu(OH)2還可以通過與H2SO4反應(yīng)得到CuSO4，繼續(xù)作為汲取液重復(fù)使用.某些含氮、磷、鉀等無機鹽是化肥中所含的主要成分，因此，被稀釋后的汲取液可以直接進行農(nóng)業(yè)灌溉，降低了回收再生的能耗費用.另外，海水作為汲取液，被稀釋的海水在進一步進行海水淡化時，能耗和成本大大降低.

　　選取汲取液時，還需考慮待處理水的成分.當(dāng)待處理水中含有結(jié)垢的先驅(qū)物(Ba2+、Ca2+、Mg2+、SO42-和CO32-)時，MgCl2因不易結(jié)垢被認(rèn)為是最好的汲取液.

　　(2)有機類

　　小分子有機類汲取液，易揮發(fā)回收.如Stone等采用一種由叔胺、二氧化碳和水的混合物作，稱為可變極性溶劑(Switchable polarity solvents，SPS)作為汲取液.能夠產(chǎn)生較高的滲透壓(>13 Osm·kg-1).該汲取液通過鼓入CO2和氮氣，適當(dāng)?shù)募訜岜憧苫厥?還有研究者選用甲醚作為汲取液，將其放置在室溫下，便可以揮發(fā)，實現(xiàn)分離，基本無能量的消耗.

　　大分子有機類汲取液，具有低溶質(zhì)返混通量等特點.如2-甲基咪唑基類化合物，兩性離子(甘氨酸、脯氨酸、甜菜堿)，EDTA鈉鹽，復(fù)雜化合物Na4[Co(C6H4O7)2]·2H2O(Na-Co-CA)，木質(zhì)素磺酸鈉(NaLS)，磷腈鈉鹽和鋰鹽等可以產(chǎn)生高的滲透壓.

　　聚合高分子電解質(zhì)使FO具有高水通量，高鹽截留率，基本無溶質(zhì)返混現(xiàn)象，也可作FO汲取液.聚丙烯酰胺(PAM)，聚合水凝膠，膠質(zhì)溶液，可產(chǎn)生較穩(wěn)定的滲透壓和水通量，溶質(zhì)返混通量要遠遠低于其他汲取液.一些熱敏性和水溶性較強的聚合高分子電解質(zhì)，在45℃，2 bar條件下通過熱UF過程便可回收.

　　(3)納米材料

　　超親水性的納米顆粒，直徑大約為5 nm，可產(chǎn)生較高的滲透壓，可用于FO系統(tǒng).Na等合成了一種超強親水性檸檬酸磁性納米材料(cit-MNPs).該材料被作為一種適用的汲取液應(yīng)用到FO中.

　　3.2.2 汲取液濃度

　　汲取液濃度影響水通量.主要原因是濃度升高導(dǎo)致其滲透壓升高，膜兩側(cè)的滲透壓差(πD-πF)變大，滲透驅(qū)動力變大，水通量升高.有研究認(rèn)為在一定的濃度范圍內(nèi)，水通量隨著汲取液濃度的增加而增加，超過一定值后，水通量不再變化.如Cornelissen等采用ZnSO4作為汲取液時，濃度在0.5~2.3 mol·L-1范圍內(nèi)，水通量隨濃度的增加而增加，超過2.3 mol·L-1，水通量基本不變;除此之外，Hau等用EDTA作為汲取液時，當(dāng)濃度超過1.0 mol·L-1，水通量維持不變，原因是水通量的升高加重了支撐層內(nèi)稀釋型內(nèi)部濃差極化.

　　汲取液濃度對溶質(zhì)返混通量的影響見解不一.有研究認(rèn)為影響較小，基本可以忽略.也有研究汲取液(EDTA鈉鹽)濃度較低時，溶質(zhì)返混通量隨著汲取液濃度的增加而增加;濃度較高時，溶質(zhì)返混通量變化不明顯(Hau et al.，2014).

　　汲取液濃度的增大可能增加溶液的粘度，從而增加泵的能耗.

　　3.3 原水性質(zhì)3.3.1 原水組成

　　根據(jù)原水中主要物質(zhì)組成可將原水分為無機類和有機類.其中無機類主要是含鹽水.有機類包括染料廢水、太空廢水、含油廢水，含氯水(鹵乙酸)、城市污水，地表水中污染物(PhACs，TrOCs)等，詳見本文2.1~2.4節(jié)應(yīng)用部分.

　　3.3.2 原水濃度

　　原水中鹽濃度的升高導(dǎo)致原水側(cè)滲透壓升高，膜兩側(cè)的滲透壓差(πD-πF)變小，滲透驅(qū)動力變小，水通量降低，截留率降低不明顯.

　　3.4 運行條件3.4.1 溫度

　　溫度影響FO的水通量、溶質(zhì)返混通量和膜污染.

　　溫度升高使溶液的粘度降低，擴散和傳質(zhì)系數(shù)提高，減小濃差極化，提高水通量.溫度升高，會使溶液滲透壓升高，最終使水通量增加，見公式(1)：

　　(1)

　　式中，π是滲透壓(bar)，R是氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1)，T、V、aW分別是是溫度(K)、摩爾體積(18 mL·mol-1)和水的活度.

　　3.4.2 pH

　　pH改變影響膜表面性質(zhì)，進而影響FO的水通量和截留效果.研究者發(fā)現(xiàn)pH的改變會引起交聯(lián)膜聚合結(jié)構(gòu)構(gòu)象和表面疏水性的改變，隨著pH的增加，膜表面的電負性增強，使聚合物基體上可電離官能團之間的排斥作用增強，最終使平均孔徑變大，滲透水通量增加;另外，隨著pH增加，膜表面的親水性會增強，有利于提高水通量.Xie等發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH高于5.8時，原水中模擬污染物磺胺甲惡唑呈電負性，pH升高使FO膜AL表面電負性增強，因此膜表面與污染物之間的斥力增強，從而提高了污染物的截留率(Xie et al. 2012).

　　pH改變影響原水中污染物化學(xué)形態(tài)，進而影響FO的截留率.如Kim等用FO截留B3+時，當(dāng)pH升高，B3+與OH-結(jié)合生成B(OH)3，水合半徑增大，更易被截留;當(dāng)pH繼續(xù)升高，B(OH)3水進一步水解為B(OH)4-，B(OH)4-與FO膜表面負電荷產(chǎn)生排斥作用，截留率進一步提高.Xie發(fā)現(xiàn)pH在3.5～7.5范圍變化時，原水中的卡馬西平呈電中性，因此不受膜表面電荷變化的影響，截留率也不受影響;但pH高于5.8時，呈現(xiàn)電負性的磺胺甲惡唑的截留率隨pH升高而升高.

　　pH改變影響汲取液溶質(zhì)化學(xué)形態(tài)，進而影響返混通量.Hau等利用EDTA鈉鹽作為汲取液時，當(dāng)pH高于7時，EDTA4-本身會結(jié)合自由態(tài)的Na+，生成Na[EDTA]3-，降低汲取液的返混通量.

　　3.4.3 流速和流向

　　原水和汲取液的流速升高，增大膜表面的水流剪切力，可以產(chǎn)生較快的滲透流稀釋作用，提高傳質(zhì)系數(shù)，降低外部濃差極化，從而使FO水通量增加.但有些研究者認(rèn)為當(dāng)流速在小范圍改變時，并不足以引起傳質(zhì)及外部濃差極化的改變.

　　流向指原水流和汲取液流的相對方向，為順流或逆流.但可能由于FO研究的規(guī)模都很小，流向?qū)�FO的影響并未體現(xiàn)出來.

　　4 存在問題

　　雖然FO成為近年來的研究熱點，但目前仍未得到廣泛應(yīng)用，濃差極化、膜污染、汲取液溶質(zhì)返混，汲取液的后處理等問題亟待解決.

　　4.1 濃差極化

　　4.1.1 外部濃差極化和內(nèi)部濃差極化

　　外部濃差極化發(fā)生在FO膜外部，即活性層和支撐層的表面.可分為濃縮型外部濃差極化和稀釋型外部濃差極化.當(dāng)采用AL-FS模式時，原水中水分子通過FO膜時，溶質(zhì)(污染物)被截留，在膜的活性層與原水界面區(qū)域溶質(zhì)濃度越來越高，發(fā)生濃縮型外部濃差極化(圖 2a)，在膜的支撐層與汲取液界面區(qū)域溶質(zhì)濃度會被水稀釋;當(dāng)采用AL-DS模式時，水分子通過FO膜進入汲取液，膜的活性層與汲取液界面區(qū)域汲取液被稀釋，溶質(zhì)濃度降低，發(fā)生稀釋型外部濃差極化(圖 2b)，同時在膜的支撐層與原水界面區(qū)域發(fā)生濃縮型濃差極化.內(nèi)部濃差極化發(fā)生在FO的支撐層內(nèi)部，分為濃縮型內(nèi)部濃差極化和稀釋型內(nèi)部濃差極化.當(dāng)AL-FS時，發(fā)生稀釋型內(nèi)部濃差極化(圖 2a藍色區(qū)域);當(dāng)AL-DS時，發(fā)生濃縮型內(nèi)部濃差極化(圖 2b藍色區(qū)域).與發(fā)生在支撐層內(nèi)部濃差極化相比，發(fā)生在支撐層外部的濃差極化可以被忽略.

　　圖 2內(nèi)部濃差極化和外部濃差極化(a. AL-FS模式下的濃縮型外部濃差極化和稀釋型內(nèi)部濃差極化, b. AL-DS模式下的稀釋型外部濃差極化和濃縮型內(nèi)部濃差極化)

　　4.1.2 濃差極化對水通量的影響

　　(1)外部濃差極化

　　2006年，McCutcheon等根據(jù)薄膜理論分析外部濃差極化.濃縮型外部濃差極化僅發(fā)生在原水側(cè)：

　　(2)

　　稀釋型外部濃差極化與濃縮型濃差極化相似，但是僅發(fā)生在汲取液側(cè)：

　　(3)

　　式中，πFeed，m和πDraw，b分別是原水一側(cè)膜表面和主體溶液的滲透壓;πDraw，m和πDraw，b分別是汲取液一側(cè)膜表面和主體溶液的滲透壓(bar);JW是水通量(L·m-2·h-1);κ是傳質(zhì)系數(shù)(m·s-1).傳質(zhì)系數(shù)κ與Sh密切相關(guān)，其中

　　(4)

　　式中，D是溶質(zhì)的擴散系數(shù)(m2·s-1);dh是水力直徑(m);Sh舍伍德數(shù)由公式(5)(6)獲得：

　　(5)

　　(6)

　　式中，Re是雷諾數(shù)，Sc是施密特數(shù)，L是管道長度(m).

　　(7)

　　式中，L，H分別是矩形槽的長(m)和高(m).

　　水通量可以簡化為：

　　(8)

　　式中，A是水透過膜的滲透系數(shù)(m3·m-2·s-1·bar-1).

　　由公式(2)(3)(8)，McCutcheon and Elimelech得到水通量可以表示為

　　(9)

　　該公式既包含了濃縮型外部濃差極化，也包含了稀釋型外部濃差極化.

　　隨后，Zhao等對該公式進行了修正，得到

　　(10)

　　但該模型并不包含內(nèi)部濃差極.

　　(2)內(nèi)部濃差極化

　　有學(xué)者采用溶液擴散理論對內(nèi)部濃差極化進行研究，得到水通量公式(11：

　　(11)

　　式中，K為溶質(zhì)在多孔支撐層內(nèi)的阻力系數(shù)(s·m-1).而

　　(12)

　　式中，t、τ、ε為支撐層的厚度(m)、彎曲度、孔隙率.但是公式(12)僅適用于水通量較小的情況，對FO膜而言，水通量相對較大，因此需要深入研究，分別討論濃縮型和稀釋型內(nèi)部濃差極化.對于濃縮型內(nèi)部濃差極化(AL-DS模式下)和稀釋型內(nèi)部濃差極化(AL-FS模式下)，水通量的表達式分別如公式(13)和(14)：

　　(13)

　　(14)

　　式中，B是溶質(zhì)的滲透系數(shù)(m·s-1).

　　(3)內(nèi)部濃差極化和外部濃差極化

　　為更好地表達濃差極化對水通量的影響，將以上內(nèi)部濃差極化和外部濃差極化公式綜合得到AL-DS和AL-FS模式下的濃差極化公式(15)(16)：

　　AL-DS模式

　　(15)

　　AL-FS模式

　　(16)

　　4.1.3 濃差極化的控制

　　兩種類型外部濃差極化均降低膜兩側(cè)的滲透壓，使水通量降低.外部濃差極化可以通過增大流速，加劇膜表面湍流程度，增大膜表面剪切力等方法，使膜表面溶液濃度與主體溶液濃度盡可能地達到均一來削減其影響，也可以通過降低水通量，減小膜表面溶液濃度的變化，從而緩解外部濃差極化.

　　內(nèi)部濃差極化發(fā)生在支撐層內(nèi)部，由公式(12)來看內(nèi)部濃差極化與FO膜支撐層的彎曲度τ、厚度t、隙率ε、溶質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)D有關(guān)，因此削減內(nèi)部濃差極化，必須從膜制備和膜改性等方面考慮，使之成為無多孔支撐層結(jié)構(gòu)的膜，使溶質(zhì)分子無法滲透進入支撐層內(nèi)部.

　　4.2 膜污染

　　膜污染問題是幾乎所有膜分離技術(shù)的重要問題.膜污染使FO水通量下降.但在某些條件下可以有限的提高目標(biāo)污染物的截留率，如Hancock等采用FO對TrOC(醫(yī)藥、個人護膚品，增塑劑和阻燃劑)進行截留，發(fā)現(xiàn)由于膜污染，污染物的截留率>99%;而對于微污染物，Linares等發(fā)現(xiàn)污染后的FO膜對親水類中性化合物、疏水類中性化合物和離子態(tài)化合物的的截留率均高于未發(fā)生污染的膜.但膜污染過于嚴(yán)重時，會影響出水水質(zhì)，甚至?xí)�增加能耗和處理成�?

　　FO膜污染幾乎是可逆的，比RO過程中發(fā)生的膜污染程度輕.原因是FO操作時壓力小，形成的污染層較疏松，通過簡單的物理清洗就可以去除.但若長期應(yīng)用到實際廢水的過濾工藝中，也會產(chǎn)生不可逆的膜污染，需要通過選擇合適的化學(xué)試劑進行清洗，來恢復(fù)其通量.

　　4.2.1 膜污染類型

　　膜污染包括有機污染、無機污染和微生物污染.

　　更多FO研究針對的是有機污染.有機污染與分子內(nèi)的粘附力有緊密關(guān)系，而且有機物之間的相互作用也可能影響膜污染的速度和程度.FO膜表面的有機污染是由化學(xué)作用和水力作用共同導(dǎo)致，化學(xué)作用主要是架橋，水力作用包括滲透拖曳力和表面剪切力.能夠在膜表面形成有機污染的物質(zhì)包括海藻酸鈉，牛血清白蛋白，腐殖酸，富里酸，溶菌酶等.

　　導(dǎo)致膜表面無機污染的污染物主要為鈣、硅等.鈣離子除了直接在膜表面形成無機結(jié)垢污染，還能通過使有機污染物之間產(chǎn)生架橋作用，加重有機污染.硅納米顆粒主要是在膜表面形成膠體污染.

　　生物污染主要由水中的微生物及其所分泌的胞外多聚物(EPS)導(dǎo)致，尤其是在FO-MBR中，原因是FO膜多呈疏水性膜，而生物聚合物中的蛋白質(zhì)也多為疏水性物質(zhì)，容易在膜表面沉積.

　　4.2.2 膜污染的影響因素

　　FO膜的親疏水性，膜表面電荷，粗糙度，表面官能團對膜污染均有影響.對膜表面進行修飾或合成新復(fù)合薄膜，改變膜表面特性，可以使其防垢性增強.

　　原水中的污染物也影響膜污染.往往污染物-膜表面、污染物之間會產(chǎn)生協(xié)同作用，使污染加重，水通量下降.

　　操作條件對膜污染也有影響，主要是膜方向、溫度和流速.AL-DS模式比AL-FS模式更易受污染.溫度升高會使膜結(jié)垢和清洗問題加劇.溫度的改變還會改變污染物的對流和擴散作用，從而影響膜污染.流速的提高可以增強膜表面的水力剪切作用，防止污染物在膜表面沉積.

　　4.3 汲取液溶質(zhì)返混

　　FO過程中，由于膜兩側(cè)的濃度不同，汲取液中的溶質(zhì)會通過FO膜進入原水中，這種現(xiàn)象被稱為汲取液溶質(zhì)返混.溶質(zhì)返混使?jié)B透壓降低，引起膜污染，從而影響FO的穩(wěn)定運行.溶質(zhì)返混現(xiàn)象在FO過程中是不可避免的，受到汲取液物化性質(zhì)(擴散性，離子或分子尺寸，粘度)，流速，膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)外濃差極化等因素的影響.

　　4.4 汲取液再生

　　汲取液再生是影響FO技術(shù)能耗的關(guān)鍵.傳統(tǒng)用RO再生能耗太高.目前，汲取液的再生方法包括：①直接利用，如灌溉、沙漠修復(fù);②熱分離;③膜分離技術(shù)，如RO、NF、UF、MD、ED;④化學(xué)反應(yīng)沉淀;⑤刺激響應(yīng)及其相關(guān)的組合工藝等.

　　汲取液再生是影響FO技術(shù)能耗的關(guān)鍵.傳統(tǒng)用RO再生能耗太高.目前，汲取液的再生方法包括：①直接利用，如灌溉、沙漠修復(fù);②熱分離;③膜分離技術(shù)，如RO、NF、UF、MD、ED;④化學(xué)反應(yīng)沉淀;⑤刺激響應(yīng)及其相關(guān)的組合工藝等.具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 展望

　　以滲透壓差作為驅(qū)動力的FO技術(shù)，在水處理領(lǐng)域引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注(表 1).研究包括FO膜制備、FO運行、傳質(zhì)機理、不同類型水和廢水處理中的應(yīng)用等.在實驗室規(guī)模研究基礎(chǔ)上，F(xiàn)O技術(shù)在中試、實際應(yīng)用規(guī)模的研究也逐漸開展.但仍然存在一些問題期待解決，如膜污染、汲取液再生、濃差極化、汲取液溶質(zhì)返混等，使FO技術(shù)的廣泛應(yīng)用受到限制.未來的研究應(yīng)針對這些問題在深入解析FO傳質(zhì)機理、膜污染過程、濃差極化過程等基礎(chǔ)上，繼續(xù)開發(fā)有效的膜污染控制手段、汲取液再生方法、高效的FO膜和汲取液.不僅進行實驗室研究，還應(yīng)進行實際應(yīng)用規(guī)模的長期運行研究.隨著科研工作的不斷深入，低能耗、高回收率的FO技術(shù)一定能得到更廣泛的應(yīng)用前景.

　　表 1 近年來一些應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的FO的研究