【全面】正渗透技术的个人简历

3.1.1 膜材料(制备与改性)

最早的商业化的FO膜是美国HTI公司生产的三醋酸纤维素膜/醋酸纤维素膜(cellulose triacetate/cellulose  acetate，CTA/CA).该纤维素膜有亲水性强，高水通量，低膜污染和高机械强度，耐氯等优点，但是易水解、耐酸碱性差(pH  3~8).后来生产的复合薄膜(thin-film  composite，TFC)，材质是聚酰胺，该膜克服了前者的缺点，在pH为2~11都有较好的渗透性和稳定性，同时具有很好的耐压性.疏水性的支撑层提高了TFC膜的水通量，减小了内部浓差极化.

近年来研究者针对不同需求制备FO膜.采用相转化法制备CTA/CA膜.研究者发现影响制备的条件主要为环境湿度、凝胶浴温度、热处理温度、填充剂和退火温度.也有研究者采用界面聚合法制备TFC膜，基膜为聚醚砜或聚砜，以间苯二胺(MPD)、均苯三甲酰氯(TMC)等作溶剂，在基膜上进行聚合得到复合膜.樊晋琼等通过超声将不同量的TiO2颗粒分散(约5  min)在水相或有机相中，采用界面聚合制备了TiO2/聚酰胺复合膜，膜的水通量是未添加TiO2膜的2倍，截盐率可以达到99.9%.

此外，一些研究者为了缓解FO膜污染或提高FO截留效果对现有FO膜进行化学改性.Nguyen等采用两性离子氨基酸(L-DOPA)对CTA膜支撑层表面进行修饰，发现修饰后的膜具有更强的亲水性和防垢性，其污染程度要比未修饰膜低30%.Castrillón等用伯胺和聚乙二醇对TFC膜进行表面修饰，修饰后的膜防垢性同样增强，修饰后和未修饰的膜的水通量降低量分别是7.2%±2%和15.7%±5.3%.Wang等通过对二苄氯和聚苯并咪唑的交联实现了对FO膜孔径的控制，使FO对氯化钠的截留率高达99.5%.

3.1.2 膜性质

目前已知对FO运行效果有影响的膜性质主要为表面电荷、亲疏水性、粗糙度、活性层及支撑层的厚度、孔隙率、弯曲度和孔结构等.FO膜表面往往带负电荷，会与被截留的污染物产生静电(排斥或吸引)作用，从而影响污染物的去除.疏水性相对较强的膜会使疏水的物质在膜表面沉积，形成污染层.膜表面形貌(粗糙度)也会影响污染物与膜之间的作用力，从而对膜污染产生影响.而活性层及支撑层的厚度、孔隙率、弯曲度和孔结构则更多地影响内外部浓差极化，详见本文4.1节.

3.1.3 膜方向

FO膜是非对称性膜，支撑层疏松，活性层致密.水处理过程中根据活性层朝向分为两种运行模式：活性层朝向原水(active layer facing the  feed solution，AL-FS)和活性层朝向汲取液(active layer facing the draw  solution，AL-DS).膜方向对水通量、截留率和膜污染也有较大影响.

多数学者认为AL-FS比AL-DS模式具有优势.研究者在FO截留微量硼、砷、药物(卡马西平，磺胺甲恶唑)、卤乙酸(HAA)、二级出水中所含有机物(腐殖酸，生物聚合物，小分子酸等)的研究中发现AL-DS模式下，水通量虽然高，但会发生严重的内部浓差极化和膜污染，因此降低污染物的去除率.

也有学者认为AL-DS模式更好.Zheng等采用FO对水中四环素进行去除的过程中发现当pH为7~8时，四环素带负电，由于FO膜支撑层所带的负电荷要高于活性层，在AL-DS模式下增强了膜与四环素之间的排斥作用，提高了其截留率.

此外，Zhao等认为膜方向的选择决定于废水的成分，当处理高污染的废水(废水回用，膜生物反应器和食物蛋白的浓缩)或含盐量较高的水(海水脱盐和盐水浓缩)时，膜方向应选用AL-FS模式，可以减少膜污染，实现稳定和高水通量的运行;反之，则采用AL-DS模式.

3.2 汲取液

汲取液产生FO的推动力，对FO效率具有直接影响.汲取液再生一直是限制FO广泛应用的关键问题之一.汲取液的选取应该满足以下要求：高于原水的渗透压、易于再生、低返混扩散性、安全无毒、成本低、抗生物污损等.

3.2.1 汲取液种类

(1)无机盐类

质量分数小，水溶性强的无机盐，可以产生高的渗透压，使FO具有较高的水通量.如KHCO3，NaHCO3，KCl，NaNO3和KNO3，NaCl等.

质量分数相对较高的无机盐，如NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、Ca(NO3)2、(NH4)2SO4等，往往具有溶质返混通量较低的优势.

从降低汲取液再生成本角度，一些无机盐具有自身特性.如MgSO4和Na2SO4，由于SO42-可以被NF膜截留，因此可采用NF替代RO进行再生.NH4HCO3用作汲取液，通过适当加热，可生成氨气和二氧化碳(继续回用)，从而得到较纯净的水，与现有的膜技术相比，能耗节省72%~85%.CuSO4作为汲取液时，回收时采用与Ba(OH)2发生置换反应，生成Cu(OH)2和BaSO4沉淀的方法，此过程无能量消耗，而且生成的Cu(OH)2还可以通过与H2SO4反应得到CuSO4，继续作为汲取液重复使用.某些含氮、磷、钾等无机盐是化肥中所含的主要成分，因此，被稀释后的汲取液可以直接进行农业灌溉，降低了回收再生的能耗费用.另外，海水作为汲取液，被稀释的海水在进一步进行海水淡化时，能耗和成本大大降低.

选取汲取液时，还需考虑待处理水的成分.当待处理水中含有结垢的先驱物(Ba2+、Ca2+、Mg2+、SO42-和CO32-)时，MgCl2因不易结垢被认为是最好的汲取液.

(2)有机类

小分子有机类汲取液，易挥发回收.如Stone等采用一种由叔胺、二氧化碳和水的混合物作，称为可变极性溶剂(Switchable polarity  solvents，SPS)作为汲取液.能够产生较高的渗透压(>13  Osm˙kg-1).该汲取液通过鼓入CO2和氮气，适当的加热便可回收.还有研究者选用甲醚作为汲取液，将其放置在室温下，便可以挥发，实现分离，基本无能量的消耗.

大分子有机类汲取液，具有低溶质返混通量等特点.如2-甲基咪唑基类化合物，两性离子(甘氨酸、脯氨酸、甜菜碱)，EDTA钠盐，复杂化合物Na4[Co(C6H4O7)2]˙2H2O(Na-Co-CA)，木质素磺酸钠(NaLS)，磷腈钠盐和锂盐等可以产生高的渗透压.

聚合高分子电解质使FO具有高水通量，高盐截留率，基本无溶质返混现象，也可作FO汲取液.聚丙烯酰胺(PAM)，聚合水凝胶，胶质溶液，可产生较稳定的渗透压和水通量，溶质返混通量要远远低于其他汲取液.一些热敏性和水溶性较强的聚合高分子电解质，在45℃，2  bar条件下通过热UF过程便可回收.

(3)纳米材料

超亲水性的纳米颗粒，直径大约为5  nm，可产生较高的渗透压，可用于FO系统.Na等合成了一种超强亲水性柠檬酸磁性纳米材料(cit-MNPs).该材料被作为一种适用的汲取液应用到FO中.

3.2.2 汲取液浓度

汲取液浓度影响水通量.主要原因是浓度升高导致其渗透压升高，膜两侧的渗透压差(πD-πF)变大，渗透驱动力变大，水通量升高.有研究认为在一定的浓度范围内，水通量随着汲取液浓度的增加而增加，超过一定值后，水通量不再变化.如Cornelissen等采用ZnSO4作为汲取液时，浓度在0.5~2.3  mol˙L-1范围内，水通量随浓度的增加而增加，超过2.3 mol˙L-1，水通量基本不变;除此之外，Hau等用EDTA作为汲取液时，当浓度超过1.0  mol˙L-1，水通量维持不变，原因是水通量的升高加重了支撑层内稀释型内部浓差极化.