正滲透技術(shù)處理水和廢水

　　1 引言

　　膜分離技術(shù)由于出水水質(zhì)高、設(shè)備簡(jiǎn)單易操作、能耗相對(duì)較低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(jī)械壓力驅(qū)動(dòng)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(dòng)的膜蒸餾技術(shù)(membrane distillation，MD)，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電滲析技術(shù)(electro-dialysis，ED)，一些由化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jī)械壓力，具有低壓操作、低膜污染、高截留的優(yōu)點(diǎn)，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(kuò)散到高滲透壓側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)水與雜質(zhì)的分離(圖 1).該過程的驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行的鹽湖水脫鹽，回收率達(dá)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(dá)到60%，與蒸發(fā)濃縮技術(shù)相當(dāng)，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)(美國(guó)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，微量金屬離子、磷、硝酸鹽和總氮的截留率可分別達(dá)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(dá)到67%~68%和56%~59%.FO作為城市污水的一種處理方法，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定、連續(xù)和長(zhǎng)期運(yùn)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(jí)和三級(jí)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(duì)有機(jī)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(yàn)中，F(xiàn)O對(duì)氨、硝酸鹽和紫外(UV)吸收類化合物的截留率分別達(dá)到74%、78%和85%;Yangali-Quintanilla等也采用二級(jí)出水(沙特阿拉伯的吉達(dá)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(duì)染料(酸橙8)廢水進(jìn)行濃縮處理，濃縮倍數(shù)達(dá)3;同樣，Zhao等也對(duì)染料(活性艷紅K-2BP)廢水進(jìn)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(dá)95%以上，.Hickenbottom等采用FO對(duì)原油和天然氣開采時(shí)產(chǎn)生的鉆井污泥及廢水進(jìn)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(dá)90%.Kong等利用FO處理含氯廢水中的九種鹵乙酸，截留率達(dá)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(dá)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(dá)到美國(guó)污染物排放系統(tǒng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn).

　　3 影響FO運(yùn)行的因素

　　3.1 膜

　　FO膜是由支撐層和活性層構(gòu)成的非對(duì)稱性結(jié)構(gòu).支撐層使FO膜擁有較好的機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松.而活性層相對(duì)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(qiáng)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(guó)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(qiáng)，高水通量，低膜污染和高機(jī)械強(qiáng)度，耐氯等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，在pH為2~11都有較好的滲透性和穩(wěn)定性，同時(shí)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(duì)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(jìn)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(jī)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(dá)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(duì)現(xiàn)有FO膜進(jìn)行化學(xué)改性.Nguyen等采用兩性離子氨基酸(L-DOPA)對(duì)CTA膜支撐層表面進(jìn)行修飾，發(fā)現(xiàn)修飾后的膜具有更強(qiáng)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(duì)TFC膜進(jìn)行表面修飾，修飾后的膜防垢性同樣增強(qiáng)，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(duì)二芐氯和聚苯并咪唑的交聯(lián)實(shí)現(xiàn)了對(duì)FO膜孔徑的控制，使FO對(duì)氯化鈉的截留率高達(dá)99.5%.

　　3.1.2 膜性質(zhì)

　　目前已知對(duì)FO運(yùn)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(fù)電荷，會(huì)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(duì)較強(qiáng)的膜會(huì)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(huì)影響污染物與膜之間的作用力，從而對(duì)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(duì)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(yùn)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(shì).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(jí)出水中所含有機(jī)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(huì)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(duì)水中四環(huán)素進(jìn)行去除的過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH為7~8時(shí)，四環(huán)素帶負(fù)電，由于FO膜支撐層所帶的負(fù)電荷要高于活性層，在AL-DS模式下增強(qiáng)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(shí)，膜方向應(yīng)選用AL-FS模式，可以減少膜污染，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高水通量的運(yùn)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(dòng)力，對(duì)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(kuò)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(jī)鹽類

　　質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，水溶性強(qiáng)的無機(jī)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(duì)較高的無機(jī)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(shì).

　　從降低汲取液再生成本角度，一些無機(jī)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(jìn)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(shí)，回收時(shí)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(jī)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(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，降低了回收再生的能耗費(fèi)用.另外，海水作為汲取液，被稀釋的海水在進(jìn)一步進(jìn)行海水淡化時(shí)，能耗和成本大大降低.

　　選取汲取液時(shí)，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(shí)，MgCl2因不易結(jié)垢被認(rèn)為是最好的汲取液.

　　(2)有機(jī)類

　　小分子有機(jī)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?dú)�，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(shí)現(xiàn)分離，基本無能量的消耗.

　　大分子有機(jī)類汲取液，具有低溶質(zhì)返混通量等特點(diǎn).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(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他汲取液.一些熱敏性和水溶性較強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)，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(jī)類和有機(jī)類.其中無機(jī)類主要是含鹽水.有機(jī)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(dòng)力變小，水通量降低，截留率降低不明顯.

　　3.4 運(yùn)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(kuò)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(huì)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(jìn)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(huì)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(fù)性增強(qiáng)，使聚合物基體上可電離官能團(tuán)之間的排斥作用增強(qiáng)，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(huì)增強(qiáng)，有利于提高水通量.Xie等發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH高于5.8時(shí)，原水中模擬污染物磺胺甲惡唑呈電負(fù)性，pH升高使FO膜AL表面電負(fù)性增強(qiáng)，因此膜表面與污染物之間的斥力增強(qiáng)，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(jìn)而影響FO的截留率.如Kim等用FO截留B3+時(shí)，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(jìn)一步水解為B(OH)4-，B(OH)4-與FO膜表面負(fù)電荷產(chǎn)生排斥作用，截留率進(jìn)一步提高.Xie發(fā)現(xiàn)pH在3.5～7.5范圍變化時(shí)，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(shí)，呈現(xiàn)電負(fù)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(jìn)而影響返混通量.Hau等利用EDTA鈉鹽作為汲取液時(shí)，當(dāng)pH高于7時(shí)，EDTA4-本身會(huì)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(shí)，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(duì)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(diǎn)，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(shí)，原水中水分子通過FO膜時(shí)，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(huì)被水稀釋;當(dāng)采用AL-DS模式時(shí)，水分子通過FO膜進(jìn)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(shí)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(shí)，發(fā)生稀釋型內(nèi)部濃差極化(圖 2a藍(lán)色區(qū)域);當(dāng)AL-DS時(shí)，發(fā)生濃縮型內(nèi)部濃差極化(圖 2b藍(lán)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(duì)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(kuò)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?cái)?shù)，L是管道長(zhǎng)度(m).

　　(7)

　　式中，L，H分別是矩形槽的長(zhǎng)(m)和高(m).

　　水通量可以簡(jiǎn)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(duì)該公式進(jìn)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(kuò)散理論對(duì)內(nèi)部濃差極化進(jìn)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(duì)FO膜而言，水通量相對(duì)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(duì)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(dá)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(dá)濃差極化對(duì)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(dá)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(jìn)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(duì)TrOC(醫(yī)藥、個(gè)人護(hù)膚品，增塑劑和阻燃劑)進(jìn)行截留，發(fā)現(xiàn)由于膜污染，污染物的截留率>99%;而對(duì)于微污染物，Linares等發(fā)現(xiàn)污染后的FO膜對(duì)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(shí)，會(huì)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(shí)壓力小，形成的污染層較疏松，通過簡(jiǎn)單的物理清洗就可以去除.但若長(zhǎng)期應(yīng)用到實(shí)際廢水的過濾工藝中，也會(huì)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(jìn)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(jī)污染、無機(jī)污染和微生物污染.

　　更多FO研究針對(duì)的是有機(jī)污染.有機(jī)污染與分子內(nèi)的粘附力有緊密關(guān)系，而且有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)結(jié)垢污染，還能通過使有機(jī)污染物之間產(chǎn)生架橋作用，加重有機(jī)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(tuán)對(duì)膜污染均有影響.對(duì)膜表面進(jìn)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(qiáng).

　　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(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，使污染加重，水通量下降.

　　操作條件對(duì)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(huì)使膜結(jié)垢和清洗問題加劇.溫度的改變還會(huì)改變污染物的對(duì)流和擴(kuò)散作用，從而影響膜污染.流速的提高可以增強(qiáng)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(huì)通過FO膜進(jìn)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(yùn)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(kuò)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://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 展望

　　以滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)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(yùn)行、傳質(zhì)機(jī)理、不同類型水和廢水處理中的應(yīng)用等.在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究基礎(chǔ)上，F(xiàn)O技術(shù)在中試、實(shí)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(duì)這些問題在深入解析FO傳質(zhì)機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，還應(yīng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用規(guī)模的長(zhǎng)期運(yùn)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