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1、正渗透汲取剂及其 分离回收工艺我国膜分离技术研究和应用的三个阶段第一个阶段是20世纪60年代的开创时期。这个时期电渗折是我国最早 得到推广应用的膜分离过程，其应用领域涉及苦咸水淡化；电厂锅炉 补给水预除盐；电子、医药行业超纯水制造等。离子交换膜、隔板、 电极及其他配套设备已能自己制造，并几经换代使电渗析装置日趋完 善。 第二个阶段是20世纪70年代。这一时期，电渗析、反渗透、超滤和微 滤等各种膜和相应组件、装置都在研究中，或己开发出来，除电渗析 外，其他膜组件仍末得到应用。 第三个阶段是20世纪80年代以后。这一时期我国膜分离技术跨入应用 阶段，一些技术上较为成熟的膜过程开始得到应用。在自己研
2、制成功 的醋酸纤维素(CA)膜与复合膜生产装置的基础上，又相继引进了外国 有关公司的反渗透膜生产线。反渗透技术已在我国电厂锅炉补给水预 除盐、超纯水制造、海水和苦咸水淡化等方面大规模推广应用，并取 得很好的技术效益和经济效益。现阶段的膜分离技术从1980年至今，膜技术已发展到第3阶段，即发展到 以追求低能耗高分离效率、环境友好、绿色能源（太阳 能、风能、潮汐能）利用等为目标的膜技术革新阶段， 涉及到制膜技术的进步、创新集成膜工艺的开发与利用 等。中国也从最初的研发参与国发展到膜技术的研究与 应用大国。第3阶段中有代表性的创新膜技术主要是具 有低能耗、低环境影响负荷特点的正渗透（FO）、膜 蒸馏
3、（MD）等膜分离技术。正渗透原理膜两侧的溶液分别为具 有较低渗透压的原料液 （FS） 和具有较高渗透压的汲取液(DS)。 正渗透(Forward Osmosis，FO)是一种依靠渗透压驱动的自发膜分 离过程，即水通过选择性半透膜从较高水化学势区域(低渗透压侧) 自发地扩散到较低水化学势区域(高渗透压侧)的过程。正渗透的应用正渗透具有出水水质高、能耗低、污染轻等优点，有着 广泛的应用前景，包括： 海水淡化 工业废水、垃圾渗滤液处理污泥浓缩脱水 农田灌溉 能源微藻脱水 食品加工 发电正渗透的组成正渗透膜正渗透膜由具有选择透过性的致密活化层和具 有一定机械强度的多孔支撑层。活化层由三醋酸纤维素 组成
4、(hydrolyzes outside the 4 to 7 pH range)。汲取剂DS，即汲取剂的水溶液，为FO系统提供直接驱动 力，是FO过程的关键组成部分。一般合适汲取剂的特点 ：高渗透压、较小的反向扩散性能、易从水中分离、经 济可行性、可重用性和无毒性、与FO 膜兼容。汲取剂类型 无机型 NaCl,CO2/NH3,fertilizers,seawater, and aluminum/copper/magnesium sulfate, sugar, etc.优缺点：高的渗透压但易返流，不易回收再利用。 有机型 2-甲基咪唑基化合物, 六价磷腈化合物, EDTA钠盐，聚丙烯酸钠 ，功能
5、化碳量子点化合物，木质素磺酸盐, 智能材料等。优缺点：这些汲取剂具有较高的渗透压，相对低的反向扩散和再 生能耗。 磁性汲取剂 优缺点：易于利用磁场和低压膜过程与水分离，但易团聚。无机型汲取剂1、挥发性溶质SO2的水溶液：进行FO海水脱盐 2、新型碳酸氢铵汲取剂：2005年，耶鲁大学 Elimelech 团队提出，研究发现，高溶解性的NH4HCO3溶液能产生 较高的渗透压，从而获得高水通量和回收率。经温和加 热后可分解为NH3和CO2，易于实现汲取剂的分离。(稳 定性？) 3、NaCl：是一种简单常用的汲取剂，有较高水体溶性 和渗透压，不易结垢，广泛运用于食品生产和污水处理 等领域。 4、不同无
6、机肥料做汲取剂：可实现直接施肥灌溉。有机型汲取剂1、新型树状大分子汲取剂：有结构精确的对称球面或球 状纳米结构，由高度支化结构通过共价键连接中央核组 成；能产生高渗透压（2.28MPa），且易于通过传统膜 分离工艺回收。 2、聚合物水凝胶：是聚合物链由物理或化学键连接而 成的三维网状结构；带有离子基团的水凝胶能够提高渗 透压，在环境刺激下（温度、光、压力或酸碱）能发生 可逆变化。能耗更低影响FO性能的汲取剂特性表征FO性能的指标主要有：水通量、反向溶质通量、 回收率、脱盐率等。 汲取剂主要特征包括：渗透压、相对分子质量、水溶 性、黏度、扩散系数、温度、含量等。而这些特征对 FO性能的影响不是孤
7、立的。渗透压的影响 渗透压是指溶液本身固有的，导致选择透过性膜两侧溶液之间 渗透现象发生的压力。 根据范特霍夫定律（Vant Hoff），理想稀溶液渗透压 为：=cRT=RT/M 式中： 为稀溶液渗透压 R为气体常数（ 8.314LKpa/(Kmol)） T为绝对温度 该公式适用于稀溶液和溶质 相对分子质量较大的溶液对于一般溶液，其渗透压与 浓度的关系可利用维里方程 表示：/(cRT)=1+Bc+Cc2+Dc3+ 式中：B、C、D为维里系数。 由上述公式可以看出，DS渗 透压是溶质浓度c、溶质相对 分子质量M、温度T的函数。溶质扩散系数Ds的影响K=/Ds式中： K为溶质扩散阻力， 、分别为膜
8、支承层的厚度、曲 折度、孔隙率。由上式可以看出，扩散系数大的溶质扩散阻力 小，从而更容易通过膜的支撑层扩散。温度的影响1、温度对渗透压、黏度、扩散系数等均有影响； 2、T水分子活动变的剧烈，溶液粘度相应较低，促进 水的扩散，增加了膜通量； 3、影响内浓差极化现象； 4、较高温度下，膜表面结晶更密实，降低了清洁效 率。因此，升高温度能够提高通量，到达某一临界 点时，膜开始结垢，导致通量下降，影响工艺性 能。汲取剂分离回收工艺热分离法（对具有挥发性或热敏性的汲取剂） 膜分离法（大多数汲取剂、膜蒸馏/超滤/纳滤/反渗透 ） 磁分离法（对于磁性纳米粒子汲取剂） 沉淀法 刺激响应法（采用智能材料，利用地
9、热、辐射等刺激 ） 组合工艺加热或蒸馏回收无机物汲取液美国耶鲁大学Elimelech课题组以碳酸氢铵（或氨气与 二氧化碳气体高浓度溶液）为汲取液驱动海水进行正渗 透脱盐淡化。零排 放低能 耗加热或蒸馏回收 无机物汲取液遇到的疑问NH4HCO3的稳定性问题如何维持汲取液的稳定组成 汲取液回收耗能问题 水产品中NH3的去除能否彻底加热或蒸馏回收有机物汲取剂ChungTS研究小组以2-甲基咪唑类化合物做正渗透 汲取液。（渗透压最高可达35MPa）并采用膜蒸馏法在 70下回收汲取液，实现了2-甲基咪唑类化合物的循环 利用。Ge Q C等以聚丙烯酸钠（PAA-Na）作为正渗透汲取 剂，用于染料废水的脱水
10、，同时采用膜蒸馏（MD）用 于聚丙烯酸钠汲取液的再浓缩，FO-MD耦合体系。加热或蒸馏回收有机物汲取剂（聚合物电解质）高水通量最低反向通量易再生磁场或电场回收优点：可通过外加磁场实现汲取溶质与水的迅速分离 ； 缺点：易团聚，不易回收；未经修饰的磁性粒子做汲取液，渗透压较低。磁场或电场回收Chung T S小组用聚丙烯酸对磁性纳米颗粒进行表面修 饰，构成亲水性汲取液，实验结果表明该汲取液能提 供较高驱动力，水通量较高；后来又用聚乙二醇二羧 酸对磁性纳米颗粒汲取液进行表面修饰，通过调整三 乙酰丙酮铁与聚乙二醇二羧酸的比例，得到粒径分布 为4.217.5mm的磁性纳米颗粒汲取液，该汲取液可 提供较高
11、渗透压，使纯水通量进一步提高。该种新型 磁性汲取液可通过磁性分离装置与产品水迅速分离， 实现汲取液循环利用。磁场或电场回收Chung T S小组还以纳米氧化铁颗粒为核心，在其表面 分别包裹亲水性聚丙烯酸和聚（N-异丙基丙烯酰胺） 的混合物，分别滴加NaOH或Ca（OH）2溶液至呈中 性，此时，纳米颗粒表面上的羧基COOH基团由于 NaOH或Ca （OH）2的加入进一步电离，制备出表面 电离的纳米颗粒汲取液。Na+和Ca+的引入不仅提高了 纳米粒子表面羧基的电离度，还消除了纳米颗粒间的 团聚现象，从而使表面电离的纳米颗粒汲取液呈现出 更好的正渗透性能。更高得水通量更高得渗透压更高的驱动力膜法回收
12、纳滤回收 Tan和Zhao S分别将硫酸钠、氯化镁等无机盐做为 汲取液，用于淡化海水和苦咸水，在在一定压力下实用 纳滤膜对稀释汲取液进行浓缩，直至浓缩到原汲取液浓 度再循环利用。 问题：无机盐做汲取剂其渗透压的实际通量远远小于理 论通量？ 研究人员认为是内浓差极化导致了这种现象。采用EDTA二钠盐为驱动 溶质膜法回收反渗透回收（正渗透与反渗透联用）Yangali-Quintanilla V 等以污水为原料液，海水为汲取 液，先采用正渗透进行海水淡化，经低压反渗透浓缩的 海水做为汲取液再重新返回正渗透系统被循环利用。 该工艺过程能耗仅为独自采用高压反渗透工艺淡化海水 能耗的50%。直接利用HTI
13、公司采用可食用葡萄糖、果糖、蔗糖剂饮料成分 等营养物质为汲取液溶质，将其配成适当浓度水溶液 做汲取液，正渗透完成后，可被人直接饮用。 HTI公司还开发了正渗透滤水器，讲滤水器投入盐 水、污水水体时，由于谁提的渗透压低于汲取液中渗 透压，水将透过正渗透膜进入汲取液，不洁水体中的 SS、有机物、病毒、细菌等被渗透膜阻拦，保证了汲 取液的饮用安全。可用于航天员在太空中的废水处理 和再利用。直接利用正渗透滤水器存在的问题 Q1：汲取液溶质会反渗透； Q2：不洁水体中的某些有毒物质会通过渗透膜进入到 汲取液中。直接利用以化肥为汲取剂配成汲取液用于海水淡化及农业灌溉 与施肥。可以部分解决农业对淡水的需求。 大多数可溶化肥都可以产生高于海水的渗透压，初步 估计表明，1Kg话费可从海水中汲取1129L水。 优点： 汲取液无需回收，直接排放到农田用于农作物生长， 大幅度减少了正渗透技术的过程能耗。Thank you!
