正渗透技术在污水处理中的应用

(13)

(14)

式中，B是溶质的渗透系数(m˙s-1).

(3)内部浓差极化和外部浓差极化

为更好地表达浓差极化对水通量的影响，将以上内部浓差极化和外部浓差极化公式综合得到AL-DS和AL-FS模式下的浓差极化公式(15)(16)：

AL-DS模式

(15)

AL-FS模式

(16)

4.1.3 浓差极化的控制

两种类型外部浓差极化均降低膜两侧的渗透压，使水通量降低.外部浓差极化可以通过增大流速，加剧膜表面湍流程度，增大膜表面剪切力等方法，使膜表面溶液浓度与主体溶液浓度尽可能地达到均一来削减其影响，也可以通过降低水通量，减小膜表面溶液浓度的变化，从而缓解外部浓差极化.

内部浓差极化发生在支撑层内部，由公式(12)来看内部浓差极化与FO膜支撑层的弯曲度τ、厚度t、隙率ε、溶质的传质系数D有关，因此削减内部浓差极化，必须从膜制备和膜改性等方面考虑，使之成为无多孔支撑层结构的膜，使溶质分子无法渗透进入支撑层内部.

4.2 膜污染

膜污染问题是几乎所有膜分离技术的重要问题.膜污染使FO水通量下降.但在某些条件下可以有限的提高目标污染物的截留率，如Hancock等采用FO对TrOC(医药、个人护肤品，增塑剂和阻燃剂)进行截留，发现由于膜污染，污染物的截留率>99%;而对于微污染物，Linares等发现污染后的FO膜对亲水类中性化合物、疏水类中性化合物和离子态化合物的的截留率均高于未发生污染的膜.但膜污染过于严重时，会影响出水水质，甚至会增加能耗和处理成本.

FO膜污染几乎是可逆的，比RO过程中发生的膜污染程度轻.原因是FO操作时压力小，形成的污染层较疏松，通过简单的物理清洗就可以去除.但若长期应用到实际废水的过滤工艺中，也会产生不可逆的膜污染，需要通过选择合适的化学试剂进行清洗，来恢复其通量.

4.2.1 膜污染类型

膜污染包括有机污染、无机污染和微生物污染.

更多FO研究针对的是有机污染.有机污染与分子内的粘附力有紧密关系，而且有机物之间的相互作用也可能影响膜污染的速度和程度.FO膜表面的有机污染是由化学作用和水力作用共同导致，化学作用主要是架桥，水力作用包括渗透拖曳力和表面剪切力.能够在膜表面形成有机污染的物质包括海藻酸钠，牛血清白蛋白，腐殖酸，富里酸，溶菌酶等.

导致膜表面无机污染的污染物主要为钙、硅等.钙离子除了直接在膜表面形成无机结垢污染，还能通过使有机污染物之间产生架桥作用，加重有机污染.硅纳米颗粒主要是在膜表面形成胶体污染.

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)导致，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质也多为疏水性物质，容易在膜表面沉积.

4.2.2 膜污染的影响因素

FO膜的亲疏水性，膜表面电荷，粗糙度，表面官能团对膜污染均有影响.对膜表面进行修饰或合成新复合薄膜，改变膜表面特性，可以使其防垢性增强.

原水中的污染物也影响膜污染.往往污染物-膜表面、污染物之间会产生协同作用，使污染加重，水通量下降.

操作条件对膜污染也有影响，主要是膜方向、温度和流速.AL-DS模式比AL-FS模式更易受污染.温度升高会使膜结垢和清洗问题加剧.温度的改变还会改变污染物的对流和扩散作用，从而影响膜污染.流速的提高可以增强膜表面的水力剪切作用，防止污染物在膜表面沉积.

4.3 汲取液溶质返混

FO过程中，由于膜两侧的浓度不同，汲取液中的溶质会通过FO膜进入原水中，这种现象被称为汲取液溶质返混.溶质返混使渗透压降低，引起膜污染，从而影响FO的稳定运行.溶质返混现象在FO过程中是不可避免的，受到汲取液物化性质(扩散性，离子或分子尺寸，粘度)，流速，膜结构，内外浓差极化等因素的影响.

4.4 汲取液再生

汲取液再生是影响FO技术能耗的关键.传统用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、沙漠修复;②热分离;③膜分离技术，如RO、NF、UF、MD、ED;④化学反应沉淀;⑤刺激响应及其相关的组合工艺等.

汲取液再生是影响FO技术能耗的关键.传统用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、沙漠修复;②热分离;③膜分离技术，如RO、NF、UF、MD、ED;④化学反应沉淀;⑤刺激响应及其相关的组合工艺等.

5 展望

以渗透压差作为驱动力的FO技术，在水处理领域引起了越来越多学者的关注(表  1).研究包括FO膜制备、FO运行、传质机理、不同类型水和废水处理中的应用等.在实验室规模研究基础上，FO技术在中试、实际应用规模的研究也逐渐开展.但仍然存在一些问题期待解决，如膜污染、汲取液再生、浓差极化、汲取液溶质返混等，使FO技术的广泛应用受到限制.未来的研究应针对这些问题在深入解析FO传质机理、膜污染过程、浓差极化过程等基础上，继续开发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.不仅进行实验室研究，还应进行实际应用规模的长期运行研究.随着科研工作的不断深入，低能耗、高回收率的FO技术一定能得到更广泛的应用前景.

表 1 近年来一些应用于水处理领域的FO的研究

延伸阅读：

【全面】正渗透技术的个人简历