正渗透技术的研究进展

游亚杰

摘 要：正渗透技术作为一种低能耗、污染小的新型膜处理技术，填补了工业污水处理“零排放”的空白，在食品浓缩、海水淡化、工业废水和生活污水处理领域应用前景广阔。基于此，本文首先分析正渗透的原理，然后探讨正渗透技术的应用。

关键词：正渗透技术;食品浓缩;海水淡化;废水处理

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）07-0106-03

The Research Advances in Forward Osmosis

YOU Yajie

（Henan Capital Construction Science Experiment Research Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： As a novel membrane technology with low energy consumption and less pollution， forward osmosis（FO）fills the blank of “zero discharge”in industrial wastewater treatment. It can be applied in the fields of food concentration， seawater desalination， industrial wastewater and domestic sewage treatment， with a promising application. Based on this， this paper first analyzed the principle of forward osmosis， and then discussed the application of forward osmosis technology.

Keywords： forward osmosis;food concentration;seawater desalination;wastewater treatment

水是基礎性自然资源和战略性经济资源，在国民经济和国家环境安全中占有重要地位。随着人口持续增长和城市化的快速推进，预计到2050年，全世界的淡水需求量将增加40%，而地球上可用的淡水资源只有3%，水资源短缺已成为关系到可持续发展乃至国家安全的重要问题。应对水资源短缺的重要策略之一就是废水的回收利用。

过去的几十年里，微滤（Microfiltration，MF）、超滤（Ultrafiltration，UF）、纳滤（Nanofiltration，NF）、反渗透（Reverse Osmosis，RO）等压力驱动的膜分离技术已广泛应用于澄清纯化、浓缩提纯等领域，能实现工业废水处理、纯水制备、海水淡化。基于压力驱动的膜分离技术（尤其是反渗透）在废水处理应用中面临着结构复杂、成本较高、膜污染严重等问题。随着美丽中国建设目标的不断推进，从源头削减废水量的同时，急需开发效率高、能耗低、污染小的废水处理与资源化技术。正渗透（Forward Osmosis，FO）技术作为一种低能耗、低污染的绿色技术，在工业水处理、海水淡化、废水零排放领域具有广阔的应用前景。

1 正渗透的原理

渗透是指水通过选择性渗透膜从水化学势较高的区域转移到水化学势较低的区域。它是由穿过膜的溶质浓度差异所驱动的，这种差异允许水通过，但会排斥大多数溶质分子或离子。

正渗透即是自然渗透，是指水从较高水化学势（或较低渗透压）一侧区域通过选择透过性膜流向较低水化学势（或较高渗透压）一侧区域的过程。正渗透应用了膜两侧溶液的渗透压差（[Δπ]）作为驱动力，使得水能自发地从原料液（具有较低渗透压）一侧通过选择透过性膜到达驱动液（具有较高渗透压）一侧。

压力阻尼渗透（Pressure Oscillation Damper，PRO）是介于正渗透（FO）和反渗透（RO）的一个中间过程。当对渗透压高的一侧溶液施加一个小于渗透压差的外加压力时，水仍然会从原料液一侧流向驱动液一侧[1]。

描述正渗透（FO）、反渗透（RO）和压力阻尼渗透（PRO）水传输的一般方程式如式（1）所示。

[JW=AσΔπ-ΔP]                          （1）

式（1）中：[JW]是水通量;[A]是膜的透水系数;[σ]是反射系数;[ΔP]是外力。其中，正渗透（FO），[ΔP][=]0;反渗透（RO），[ΔP]>[Δπ];阻尼渗透（PRO），[Δπ]>[ΔP]。渗透过程如图1所示。

2 正渗透技术的应用

膜技术作为一种新兴朝阳产业，以高效能和低能耗等优势，在环境工程领域得到了越来越广泛的应用。相比其他膜分离技术，正渗透膜技术以渗透压差为驱动力，具有低能耗、低膜污染和高水回收率等优势，在食品浓缩、海水淡化、工业和生活废水处理等领域具有良好的应用前景。

2.1 食品浓缩

比较常见的浓缩方法包括热法、蒸发、冷冻干燥、膜法等。热法浓缩会对产品品质造成不利影响，此外，热法还会消耗大量的能源。常规膜法浓缩通常采用以纳滤和反渗透为代表的压力驱动膜技术。但是，压力驱动膜技术存在很多问题，例如，高压力操作带来的高能耗、严重的膜污染、浓缩度远小于蒸发浓缩等。

任宋萍采用正渗透技术对苹果汁进行浓缩试验，发现三醋酸纤维素（Cellulose Acetate，CTA）正渗透膜更适合苹果汁浓缩;单一正渗透过程经过48 h可以将苹果汁由10.5%浓缩至50%以上，远远高于反渗透所能达到的浓缩度;浓缩过程全程非热，有效保留了果汁中的糖、酸、酚以及果胶等物质;引起正渗透膜污染的成分主要是糖类，可以通过简单的水力清洗使膜通量得以恢复。因此，正渗透浓缩苹果汁具有良好的技术与经济可行性[2]。

樊梦原等首次将正渗透膜浓缩规模化地应用到内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司新鲜牛乳浓缩生产线，通过控制正渗透膜两侧溶液的渗透压差，实现了目标溶液的多倍浓缩;同时，不引入任何热源或强外压，保持了目标溶液的主要营养素含量及营养素比例。与反渗透膜浓缩和冷冻浓缩相比，正渗透膜浓缩技术可大大增大乳制品的浓缩倍数，同时降低单位能耗，节约运行成本[3]。

2.2 海水淡化

目前，已经商业化的海水淡化技术主要包括反渗透技术、多级闪蒸技术和多效蒸馏技术。然而，传统的海水淡化技术基础投资和运行费用都比较昂贵。沙特阿拉伯等西亚国家采用的多级闪蒸技术以及欧美国家广泛采用的反渗透技术的单位制水能耗，均远高于以地表水和地下水为水源的能耗。渗透膜技术是一種新兴的膜法水处理技术，具有低能耗和低膜污染等优势。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋环境材料团队在聚砜溶液中引发丙烯酸（Acrylic Acid，AA）发生原位聚合反应，生成制膜液，通过蒸汽—非溶剂诱导相分离直接制备成PSf/PAA（Polysulfone Polyacrylic Acid）多孔膜，并进一步利用多巴胺的超强黏附性和二次反应特性，对支撑膜进行表面修饰，得到正渗透膜材料，并将其四边胶封成器件，应用于应急海水淡化领域。其海水淡化效率为美国HTI（Hydration Technologies Inc）公司同类产品的2.5倍以上，为实现智能型正渗透海水淡化膜提供了有力支持[4]。

在国家科技计划项目的支持下，杭州水处理技术研究开发中心在正渗透膜材料研制、高效易分离汲取液开发以及正渗透工艺耦合与系统集成等方面取得了重大突破，并率先建立了500 m?/d的正渗透海水淡化示范装置。装置制水能耗、产水量、水回收率等关键技术指标均达到国际领先水平，为海水淡化提供了新的工艺选择[5]。

2.3 工业废水处理

在制备高品质再生水过程中，膜技术具有较大的应用优势，反渗透技术作为目前最为经济有效的脱盐技术，已得到广泛认可[6]。但是，随着对回用水水质和回收率标准的提高，反渗透技术的不足也显现出来，如较差的抗污染能力、浓缩结垢等问题已成为该技术发展的一个瓶颈。正是由于反渗透技术存在部分不足，促进了正渗透技术的发展。

王波等对正渗透在煤化工废水零排放工艺中的布置位置、汲取液优选、膜污染等方面进行了研究。结果表明：利用正渗透浓缩生化进水时，2.5 mol/L的NaCl溶液作为汲取液，系统运行平稳，最大水回收率高达91.1%[7]。王玉玲等采用正渗透（FO）工艺处理酸性矿井水（Acid mine Drainage，AMD），以NaCl为原料液，MgCl2为汲取液，研究了汲取液浓度、膜取向、流速等操作条件对正渗透水通量及反向溶质扩散的影响。结果表明：FO对AMD中的Al3+、Fe2+、Cu2+、Zn2+等金属离子的截留率均在98%以上，对硫酸盐的截留率达到97.5%，采用纳滤工艺回收正渗透汲取液，对Mg2+的截留率达到73.3%[8]。

张肖艺等研究厌氧正渗透膜生物反应器处理高COD（Chemical Oxygen Demand，化学需氧量）（3～9 g/L）有机废水的除污染效能和产能情况。结果表明：厌氧正渗透反应器对COD的去除效率在93%以上，经过物理清洗和化学清洗，膜通量恢复95%[9]。张萌等考察了常规式和运动式厌氧正渗透膜生物反应器处理高浓度酒精废水的运动性能。结果表明：运动式厌氧正渗透膜生物反应器处理酒精废水可以同步实现沼气回收和废水回用，在高浓度有机废水处理领域具有较好的应用潜力[10]。Wu Xing等研究了用氧化石墨烯改性纳米复合薄膜正渗透膜（Thin Film Nanocomposite Forward Osmosis，TFN-FO）浓缩污水。结果表明，经过41 h的间歇过滤，污水浓缩了4.6倍，氨氮和有机物的截留率升高。全自动在线清洗（Clean in Place，CIP）系统清洗15 min，能够去除膜表面大部分的污染物，膜通量恢复90%[11]。

2.4 生活污水处理

我国城市化发展加快，城市生活用水及污水排放量逐渐加大，给污水处理带来了较大的压力。目前，城市污水处理方法较多，包括活性污泥法、生物膜过滤等。但是，部分城市污水处理管网设备老旧，基本配套设施不足，污水处理效果不达标，脱氮除磷效果不理想。因此，需要在传统污水处理工艺及实施上有新的进展。膜分离技术作为当前新兴的水处理技术，具有诸多的优点，得到了广泛的推广和应用[12]。

Chen Haisheng等对比了静电纺纳米纤维正渗透膜（Forward Osmosis Membranes Made of Electrospun Nanofibers，TFN0）、静电纺纳米纤维正渗透TiO2复合膜（Forward Osmosis Membranes Made of Electrospun Nanofibers and Further Impregnated with Titanium Dioxide，TFN1）以及静电纺纳米纤维正渗透TiO2/AgNPs复合膜（Forward Osmosis Membranes Made of Electrospun Nanofibers and Further Nanoparticles and Titanium Dioxide/Silver Composite Nanoparticles，TFN2）对城市污水的抑菌性能和对四环素耐药基因（Tetracycline-Resistant Genes，TRGs）的截留情况。结果表明：TFN2对大肠杆菌细胞的致死率达65%，TRGs的渗透速率与TFN0和TFN1相比，分别降低了39.62%和33.02%。TFN2在实际废水处理中表现出更好的理化性能、过滤性能和抗生物污染性，在去除污水处理厂废水中的ARGs和病原体方面具有更好的应用前景[13]。

姚远用正渗透工艺处理填埋场垃圾渗滤液两级碟管式反渗透（Dish Tube Reverse Osmosis，DTRO）浓缩液，将原来两级DTRO浓缩液的产量减量50%以上。正渗透工艺的产水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准，CODCr（用重铬酸钾法测定的COD值）≤10 mg/L，氨氮≤1 mg/L，总氮≤5 mg/L，总磷≤0.1 mg/L[14]。

张淮巽等研究了正渗透膜污水浓缩系统对南方低浓度城市污水的有机污染物浓缩效果和膜污染特性。结果表明：使用含有1.6 mol/L MgCl2和2.4 mol/L NaCl混合汲取液浓缩城市污水时，正渗透膜的水通量可达到27 L/（m2·h）;南方城市污水浓缩6倍以上可满足后续资源化处理要求，浓缩后的总有机碳（Total Organic Carbon，TOC）、COD、总磷和氨氮的平均回收率均达到90%以上;浓缩过程中膜污染较轻，化学清洗比物理清洗有更高的水通量恢复率[15]。

3 结语

正渗透技术是一种以渗透压差为主要驱动力进行分离的技术，与其他膜分离技术相比具有诸多应用优势，但存在浓差极化、膜污染、高性能膜材料和高效汲取液等问题，使其全面推广受到限制，在实际水处理应用中的案例较少。因此，探索新型高机械强度和高膜通量的正渗透膜以及研发智能汲取液将是未来正渗透膜的发展出路。

参考文献：

[1]CATH T Y ， CHILDRESS A E ， ELIMELECH M . Forward osmosis：Principles， applications， and recent developments. Journal of Membrane Science[J]. Journal of Membrane Science，2006（1-2）：70-87.

[2]任宋萍.基于正渗透技术的苹果汁非热浓缩研究[D].咸阳：西北农林科技大学，2019.

[3]樊梦原，张杰，任宪锋，等.一种基于正渗透原理的乳制品制备方法：CN202010094071.8[P].2020-08-11.

[4]新型.宁波材料所在便携式海水淡化正渗透膜材料与应用研究方面取得进展[J].化工新型材料，2019（1）：264.

[5]石青峰.正渗透海水淡化关键技术研究与示范[EB/OL].[2021-01-10].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=NAD000001828957&v=TjRX%25mmd2F0fSS4t0M%25mmd2BQ%25mmd2FFYoOtdKGd0CywTmRecKleA672yyPOhKkDZAJQEnWup8s1%25mmd2BDBlUiCZR%25mmd2BWC8Y%3d.

[6]王波，文湘華，申博，等.正渗透技术研究现状及进展[J].环境科学学报，2016（9）：3118-3126.

[7]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（5）：16-19.

[8]王玉玲，宋亚朋，刘烈，等.聚砜膜制备及正渗透处理酸性矿井水试验研究[J].能源环境保护，2020（1）：30-36.

[9]张肖艺，张捍民，于明川，等.厌氧正渗透膜生物反应器处理高COD废水研究[J].水处理技术，2020（04）：78-82.

[10]张萌，马涛，马广翔，等.常规式与运动式厌氧正渗透膜生物反应器处理酒精废水性能的对比[J].膜科学与技术，2020（2）：89-96.

[11]WU X ，TANNER J ，NG D ，et al. Sewage concentration via a graphene oxide modified thin-film nanocomposite forward osmosis membrane： Enhanced performance and mitigated fouling[J].Chemical Engineering Journal，2020（6095）：127718.

[12]吴益锋，顾菁华，陈峰，等.正渗透膜处理城市生活污水实验研究[J].化工管理，2020（5）：55-56.

[13]CHEN H， ZHENG S， MENG L，et al. Comparison of novel functionalized nanofiber forward osmosis membranes for application in antibacterial activity and TRGs rejection[J]. Journal of Hazardous Materials，2020（392）：122250.

[14]姚远.填埋场垃圾渗滤液两级DTRO浓缩液正渗透处理工程实践[J].科学技术创新，2020（16）：55-57.

[15]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（6）：1537-1544.