基于正渗透的水处理组合工艺应用研究进展

北极星环保网讯:正渗透FO技术作为一种新兴的膜分离技术，具有能耗低、截留能力强、膜污染程度小和膜污染易清洗等特点，近年来得到了广泛的研究。然而，由于正渗透过程中水的传质是顺渗透压差方向进行的，水分子通过正渗透膜流入渗透压更高的汲取液，限制了正渗透技术作为独立的工艺应用于水处理。正渗透通常需要与其它工艺联用，形成组合工艺。

1基于汲取液再生及利用的组合工艺

1.1正渗透与汲取液再生工艺组合

正渗透-汲取液再生组合工艺由两部分组成：1）常规正渗透系统，负责回收水资源。该过程中汲取液被稀释，原水被浓缩；2）汲取液再生系统，汲取液经过该系统得以再生，同时得到产品水。常见的汲取液再生工艺有挥发性盐热回收、无机盐复分解沉淀、膜蒸馏、超滤、纳滤、反渗透等工艺。

MCCUCHEON等人和MCGINNIS等人采用受热易分解的NH4HCO3汲取液形成的正渗透-NH4HCO3热再生系统的平均水回收率可以达到64%，正渗透过程能耗仅为0.25kWh/m3，然而，该系统汲取液回收工艺采用的蒸馏法能耗却高达到75kWh/m3。

因此在没有废热源的情况下，该组合工艺难以工程应用。为解决传统蒸馏热回收工艺的高能耗问题，可以采用膜蒸馏（MD）工艺再生汲取液。有研究以Na+官能化碳量子点（Na-CQDs）作为汲取液进行正渗透海水淡化，并采用MD工艺在45℃的温度下进行汲取液回收。

ALNAIZY等人将FO与化学沉淀工艺组合，该工艺以CuSO4为汲取液回收油田废水中的水资源，在稀释后的CuSO4汲取液中加入氢氧化钡进行沉淀，随后取上清液加硫酸再生CuSO4，而BaSO4沉淀可以作为采油井中的增稠剂进一步利用。

当前，许多新型的汲取液及其回收技术得到了发展和应用，如磁性纳米颗粒（MNP）、刺激响应型高分子水凝胶、可切换极性溶剂等。LING等人的研究发现高水溶性磁性纳米颗粒作为汲取液可产生较高渗透压，并且磁性纳米颗粒可通过磁场作用再生。

而LI等人合成的刺激响应型高分子水凝胶可以在光、热等环境刺激下产生可逆的体积变化或实现溶液-凝胶之间的相变转换，通过环境条件的变化即可完成汲取液的再生，且水凝胶吸水产生的溶胀压力又可以作为正渗透驱动力。

此外，常规膜分离技术也是汲取液回收的有效方法，常见的组合工艺有正渗透-超滤工艺（FO-UF），正渗透-纳滤工艺（FO-NF），正渗透-反渗透工艺（FO-RO）等。

正渗透-汲取液再生组合工艺使正渗透系统得以循环运行，这类工艺能否实现商业化还要深入探讨。从能量角度上看，若要实现商业化，正渗透系统节省的能量需弥补汲取液再生系统消耗的能量；从投资和成本控制的角度上看，这类组合工艺相较传统工艺投资较高，这需要环境效益和较低的运行费用来平衡。

1.2正渗透与汲取液利用工艺组合

在大多数正渗透工艺的应用中，正渗透难以单独达到工艺需求，需要组合其他的分离工艺或者后处理工艺，这不但提高了组合工艺的能耗，也增加了建造投资。而如果汲取液可以直接有效利用，则可节省汲取液再生工艺的能耗。

正渗透与汲取液利用工艺组合时，低浓度的原水经过正渗透系统后得到浓缩，高浓度的汲取液得以稀释，稀释后的汲取液进入汲取液利用系统。这类工艺典型的应用有化肥驱动正渗透工艺（FDFO）、葡萄糖溶液驱动正渗透工艺、聚合电解质驱动工艺、表面活性剂驱动正渗透工艺、正渗透应急水袋等。

化肥驱动正渗透工艺（FDFO）以高浓度化肥溶液为汲取液，回收海水或污染水源中的水，这个过程中化肥溶液得以稀释，原水中污染物被正渗透膜截留，稀释后的化肥溶液可以进行直接农业利用。研究表明，1kg商业化肥作为汲取液可以从海水中提取11～29L淡水。可将该工艺利用于淡水资源紧缺或淡水资源遭到严重污染地区的农业生产。

葡萄糖配制的汲取液可以通过正渗透系统利用受污染的水源，经过稀释获得的葡萄糖溶液可以资源化利用。但是葡萄糖溶液渗透压低，正渗透通量小，因此有研究采用糖和盐作为混合汲取液，从污染水源中汲取洁净水。葡萄糖汲取液加入无机盐后，渗透压明显提高，稀释后的混合汲取液可以作为应急能量饮料。

汲取液直接利用的技术还可应用于救灾、军事演习和航天任务中，如HTI公司开发了正渗透应急水袋X-Pack。在饮用水紧缺时，合理配比的糖和电解质浓浆作为汲取液可以从污染水源中汲取洁净的水，此过程中原水微生物、有机物和其它杂质被正渗透膜高效截留，且稀释后的汲取液可以作为能量饮品。

聚丙烯酰胺溶液驱动的正渗透组合工艺也是一种有前景的应用。阴离子型聚丙烯酰胺（HPAM）是聚驱采油中常用的驱油剂，可以将其作为正渗透工艺的汲取液从采油废水汲取洁净的水资源，且稀释后的HPAM汲取液可以作为聚驱采油的驱油剂资源化利用。

将正渗透技术与汲取液利用工艺进行组合，能够降低汲取液回收工艺的能耗，简化工艺流程。然而，这类组合工艺除了对汲取液的正渗透性能有要求外，还需考虑汲取液功能化利用的性能。

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