正渗透混合无机盐作汲取液处理废水的研究进展-辽宁化工2024年08期

摘      要： 近年来，具有低能耗、低污染、可循环利用等优点的正渗透技术开始广泛应用于污水处理等方面，如何选择高效、稳定的汲取液是正渗透技术所要解决的核心问题。综述了近10年正渗透工艺在处理污水中的应用，重点阐述了不同汲取液进行正渗透的评价指标及其影响因素，并展望了未来混合无机盐作汲取液工艺规模化，以推动混合无机盐作汲取液的正渗透工艺在处理污水领域的应用。

关  键  词：正渗透；汲取液；混合无机盐；废水处理

中图分类号：TQ051     文献标识志码： A     文章编号： 1004-0935（20202024）0×8-1282-03

地球上可供人类直接饮用的水资源极其宝贵。随着人口的不断增加和人们的生活水平不断提升，淡水资源的需求量也在不断增加。而工业和农业的快速发展导致水资源环境受到损害，不但使水体大量污染，还加大了废污水的处理难度[1]。因此，对高效、低成本的污废水处理方式的研究十分必要。

正渗透技术是一种广泛应用于水污染治理领域的膜分离技术之一。在正渗透过程中，水被强制通过半透膜，由于膜的选择性，水中的溶质如盐、重金属、有机物等被剔除，从而提高水的质量。正渗透技术具有高效、低成本、无化学添加剂[2]等优点，可广泛应用于饮用水处理、工业水处理、废水处理等领域。然而，由于汲取液药剂的选择、配制比例等条件的不同，达到的正渗透效果也不同[3]。对混合无机盐的选择和应用领域进行总结，为该技术在未来的污水处理中的应用提供参考。

1 正渗透技术研究现状

一个完整的正渗透过程是由原料液、正渗透膜、汲取液3部分所组成。原料液和汲取液分别被放置在由半透膜隔开的容器两侧，原料液区域具有较高的水化学势能[4]（低渗透压），汲取液区域具有较低的水化学势能（高渗透压）。在无外界压力存在时，由渗透压差提供驱动力使原料液中的水自发地流向汲取液中，使原料液逐渐浓缩，汲取液逐渐稀释，直至原料液和汲取液具有相同的水化学势能（渗透压）才停止正渗透过程。正渗透过程结束后可以通过加热法、电磁法、反渗透法、纳滤法[5]将汲取液进行重浓缩。因此选择高渗透压、低反向渗透、稳定无毒、重浓缩方便且不需要较高能耗的新型汲取液至关重要。

1.1  正渗透膜

正渗透膜是正渗透过程的核心成分之一，膜的材质和构成决定了整个正渗透装置运行的结果。理想的正渗透膜具有亲水性好的功能层、支撑性好的支撑层和高水通量、高截留率的特点，同时还要化学稳定性好、耐腐蚀、成本低廉、应用范围广等特征。正渗透在许多应用中显示出其优势，然而溶质的反向扩散、浓差极化、膜污染等问题不能避免。在早期，人们直接将反渗透膜作为正渗透过程中的正渗透膜使用，导致正渗透过程水通量极低。近年来，随着正渗透膜的制造工艺不断增加和完善，越来越多的高性能膜被制造出来，目前主流的正渗透膜有乙酸纤维素（CA）类FO膜、聚酰胺薄膜复合（TFC）膜[6]和水通道蛋白膜等。

1.2  汲取液

汲取液在正渗透过程中起到的作用至关重要，汲取液的理化性质包括溶质的溶解度、溶质的分子质量、黏度和溶质反向渗透性，它们直接影响着正渗透处理的效果。常见的汲取液有无机汲取液、有机汲取液，还有其他类型的汲取液，如以水凝胶复合物[7]作汲取液、以离子液体作汲取液等。有机汲取液由于分子质量较大，不容易产生反向渗透现象，但相比无机汲取液渗透压较小。水凝胶汲取液是一种新型半固体汲取液，ZENG[8]等[8]加入少量的还原氧化石墨烯，改善水凝胶的性能，提高正渗透的水通量。无机盐汲取液适用范围广泛，具有较高的渗透压、较低的成本、容易制备、安全无毒等特点，还不会与膜发生物理或化学反应，研究起来相对简单，后续还可以通过重浓缩继续回收使用一部分药品，因此汲取液中最常见的就是无机盐汲取液。

2  混合无机汲取液

无机盐溶液中多以Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Al3+的氯化物、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐[9]等组成。分子质量小的无机盐具有较高的渗透压和水通量，但存在着非常严重的反向渗透现象。为了降低反向溶质通量而同样拥有较高水通量，人们把单一的无机盐溶液混合，去筛选和优化更加适合各类型污水处理的混合无机汲取液。不同的汲取液中配比不同，所产生的效果也不同。HAMDAN等[10]通过渗透压计算得出NaCl与MgCl2混合溶液具有较高的渗透压。LIU等[11]探究碳酸氢铵混合溶液，选取NH4Cl、 KCl、NaCl、（NH4）2HPO4与NH4HCO3相混合作为汲取液，以去离子水为原料液进行5 h的正渗透实验用来测量水通量和汲取液性能。

3  混合无机汲取液应用范围

3.1  海水淡化

当前中国淡水资源分布不均，人均可用水资源极少[12]。海洋约占地球表面积的71%，海水不能够直接用于工业生产、农业灌溉和饮用。海水淡化是正渗透处理技术的热门领域，正渗透相比多级闪蒸、反渗透等技术用于海水淡化，具有能耗低、膜污染小、水回收率高的特点，更适合对海水进行处理。AHMED[13]研究利用具有高渗透压的NH3-CO2作汲取液进行海水淡化的FO工艺的可行性和效率的脱盐效果。WANG等[14]通过FO对海水进行处理实验，认为FO海水淡化的成功密切依赖于是否拥有更好的汲取液。简单溶解的无机盐和加热后溶解的盐仍然是最广泛使用和最有效的溶质[15]，汲取液应具有低分子质量和较高渗透压。混合无机盐作汲取液成为海水淡化未来发展方向。

3.2  重金属废水处理

重金属废水一般来自电镀、冶金、化工等行业。工业废水中包含着大量的重金属离子，如锌、铜、镍、锡、铅等[16]。自然情况下，重金属不能被降解，重金属废水排入水体对自然和环境造成损害。梁异璞[17]使用4种无机盐分别组合成多种二元无机汲取液进行实验，研究温度、流速、膜朝向对正渗透效果的影响，分析混合无机汲取液中各溶质所占最佳比值，最终确定以质量比为1∶2的MgCl2+NaCl作为汲取液去除含Zn2+、Ni2+重金属废水，结果表明混合无机盐汲取液处理重金属废水是可行的。

3.3  城市污水

城市污水中普遍含有较高的COD、BOD、大量的悬浮物[18]和较高的氮素、磷含量。为了提高深度处理工艺的应用水平，张淮巽等[19]通过实验研究不同浓度配比的混合无机盐汲取液对较低COD的南方城市污水的处理情况，选用总浓度比为3∶1、 2∶1、 1∶1、 2∶3、 1∶2、 1∶3 的NaCl和MgCl2混合汲取液，结果表明选择浓度比为2∶3的MgCl2、NaCl混合溶液可以获得较高的水通量和很高的COD、氨氮、总磷的去除率和截留率。混合无机汲取液相比传统无机汲取液具有更高的渗透压和更小的反向溶质通量，对正渗透膜也更加友好。

3.3  4  煤化工废水

煤化工废水主要的污染物是氨和酚[20]，此外还有COD、焦油、氰化物等污染物质。王波等[21]利用NaCl、MgCl2、NH4HCO3分别对煤化工废水进行实验。结果表明，在无外界热量条件下，NaCl相较于MgCl2、NH4HCO3溶液更具有较高的水通量和更长的持续时间；在有外界热量条件下NH4HCO3相较于NaCl、MgCl2溶液具有更高的水通量和较低的反向溶质通量。如若使用混合无机盐汲取液将获得比传统单盐作汲取液更高的水通量和更低反向溶质通量，汲取液溶质更加方便进行重浓缩。

3.3  5  食品加工

糖类加工是食品工业中最耗能的工艺之一。正渗透与反渗透等需要压力驱动的膜分离相比，正渗透导致排异反应增加，膜污染减少，耗能低，水通过选择性半透膜进入到汲取液中，因此被用于许多产品的浓缩和回收，如苹果汁、番茄汁等。液态食品的热浓缩营养损失极大，赵淑真[22]通过正渗透避免了传统浓缩对热敏性活性丧失的缺点，将营养丰富的苹果浊汁浓缩。通过增加汲取液的浓度，水通量得到增加，但加剧了反向溶质通量。AKHTAR等以甘蔗汁为原料、氯化钠与其他盐溶液为汲取液对甘蔗汁进行浓缩，结果验证了正渗透混合无机汲取液在液态食品浓缩领域应用的可行性[23]。

4  结束语

正渗透技术在海水淡化、废水处理、食品加工等领域具备极大的潜在优势，其价值也逐渐被越来越多的人所关注。正渗透作为新兴技术其低能耗、能够在常温进行并可能实现更高的浓度属性是该技术特有的。目前正渗透的发展方向应聚焦在正渗透膜的研发、汲取液的选择、新型汲取液的浓缩方法和与更宽领域的联用研究。目前关于混合无机汲取液的相关文献较少，但它正是通过汲取液的改进从而提高正渗透效果的方式之一。随着技术的革新与发展，混合无机汲取液将会在水处理领域广泛应用。

参考文献：

[1] 贾志峰，刘鹏程，马艳，等. 我国水资源动态演变及开发利用现lNwwkAf+K3KPy+UdMQkbnKpCbem/bcD0vNIXiMh5g60=状分析[J]. 水电能源科学，2023，41（3）：27-30.

[2] 齐亚兵，张思敬，杨清翠. 正渗透水处理技术研究现状及进展[J]. 现代化工，2021，41（8）：52-57.

[3] SUWAILEH W， PATHAK N， SHON H， et al. Forward osmosis membranes and processes： A comprehensive review of research trends and future outlook[J]. Desalination， 2020， 485： 114455.

[4] RASTOGI N K. Forwa9DdcSJt5dXpwXgdm75c7tYkKdvrJvI4hW3L1k49ut2A=rd osmosis： Principles， applications， and recent developments[M].Current trends and future developments on （bio-） membranes. Amsterdam： Elsevier， 2020.

[5] 李哲，张海峰. 正渗透汲取液及浓缩回收方法专利分析[J]. 化工管理，2022（27）：73-75.

[6] 孙娜，王铎，汪锰. 正渗透膜材料及其制备方法的研究进展[J]. 材料导报，2019，33（17）：2966-2975.

[7] 魏晶， Z-X·罗， 王焕庭， 等. 正渗透汲取材料： CN108602016B[P]. 2021-06-08.

[8] ZENG Y， QIU L， WANG K， et al. Significantly enhanced water flux in forward osmosis desalination with polymer-graphene composite hydrogels as a draw agent[J]. RSC Advances， 2013， 3（3）： 887-894.

[9] HSU C H， MA C， BUI N， et al. Enhanced forward osmosis desalination with a hybrid ionic liquid/hydrogel thermoresponsive draw agent system[J]. ACS Omega， 2019， 4（2）： 4296-4303.

[10] HAMDAN M， SHARIF A O， DERWISH G， et al. Draw solutions for forward osmosis process： Osmotic pressure of binary and ternary aqueous solutions of magnesium chloride， sodium chloride， sucrose and maltose[J]. Journal of Food Engineering， 2015， 155： 10-15.

[11] LIU P， GAO B Y， SHON H K， et al. Water flux behavior of blended solutions of ammonium bicarbonate mixed with eight salts respectively as draw solutions in forward osmosis[J]. Desalination， 2014， 353： 39-47.

[12] 张胜梅. 海水淡化技术的分类及成本分析[J]. 中国资源综合利用， 2022，40（6）：57-59.

[13] AHMED M， KUMAR R， GARUDACHARI B， et al. Assessment of pilot scale forward osmosis system for Arabian Gulf seawater desalination using polyelectrolyte draw solution[J]. Desalination and Water Treatment， 2019， 157： 342-348.

[14] WANG Y N， GOH K， LI X S， et al. Membranes an8F4/bhSFPl33/emwqbpZUautEfI2XazddmkGQ2YIiAY=d processes for forward osmosis-based desalination： Recent advances and future prospects[J]. Desalination， 2018， 434： 81-99.

[15] KOLLIOPOULOS G， XU C B， MARTIN J T， et al. Hybrid forward osmosis - freeze concentration： a promising future in the desalination of effluents in cold region[J]. Journal of Water Process Engineering， 2022， 47： 102711.

[16] 黄文娟. 重金属废水处理中膜分离技术的应用研究[J]. 皮革制作与环保科技，2022，3（11）：9-11.

[17] 梁异璞. 正渗透二元汲取液处理高盐重金属废水的应用研究[D]. 沈阳：沈阳建筑大学，2022.

[18] 唐萍. 城市污水处理现状及污水处理厂提标改造路径分析[J]. 清洗世界，2022，38（11）：98-100.

[19] 张淮巽，袁怡，王旭东，等. 混合无机盐汲取液在城市污水正渗透浓缩技术中的应用[J]. 环境工程学报，2020，14（6）：1537-1544.

[20] 田茂远，吕昌彦，唐伟博. 关于煤化工废水处理技术应用分析[J]. 化工管理，2019（27）：114-115.

[21] 王波，文湘华，申博. 正渗透在煤化工废水零排放处理工艺中的应用研究[J]. 工业水处理，2019，39（5）：16-19.

[22] 赵淑真. 正渗透非热浓缩苹果浊汁的研究[D]. 杨凌： 西北农林科技大学，2021.

[23] AKHTAR A， SINGH M， SUBBIAH S， et al. Modelling， experimental validation and process design of forward osmosis process for sugarcane juice concentration[J]. LWT， 2021， 141： 110852.