正渗透技术在工业水处理海淡领域应用前景广阔

http://www.water.hc360.com2017年11月13日08:59 来源:工业水处理T|T

    慧聪水工业网 正渗透技术是近年来新兴的水处理技术,其研发初始即指向各种高难度废水的处理回用及物料分离领域,是一项有广阔发展空间的水处理技术。目前对该技术的研究重点集中在膜材料和汲取液的选择上。从正渗透的原理出发,介绍了正渗透膜材质及汲取液的前沿科技成果,分析了未来正渗透膜材质和汲取液选择的方向。最后,总结了正渗透技术的优势,并对正渗透的未来应用做了展望。

    随着日益增强的环境保护意识,人们对资源的节约利用越来越重视,水作为一项人类生产生活必需的有限资源,得到了越来越多的关注。

    从单纯的节约用水,发展到现在对水的多次重复利用,回用水的概念在国内不再陌生,对水的回用率和回用水水质也有了严格的标准及要求。回用水从最初的简单利用,如用于冲厕、冲洗道路,发展到现在可作为工艺用水;从最初的部分回用,发展到最终零排放。随着回用水水质标准及回用率的提高,对回用水的处理工艺提出了更高的要求。

    对于有高水质要求的回用水,几乎都会用到膜处理工艺。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。但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的不足,促进了正渗透技术的发展。

    一、正渗透原理

    对于正渗透技术的原理并不陌生,在研究反渗透技术时,就是先从渗透原理开始的,这种自然渗透现象其实就是目前正渗透技术所依据的原理。

正渗透原理

    正渗透即是自然渗透,是指水从较高水化学位(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位(或较高渗透压)一侧区域的过程。正渗透正是应用了膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力,才使得水能自发地从原料液(具有较低渗透压)一侧透过选择透过性膜到达驱动液(具有较高渗透压)一侧。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,此过程叫做压力阻尼渗透。压力阻尼渗透的驱动力仍然是渗透压,因此它也是一种正渗透过程。

    二、正渗透核心技术

    正渗透如果作为商用的净水技术,需解决2个大问题:一是要使水以高通量通过半透膜,并保证膜的使用寿命以及长时间的抗污染能力;二是能将汲取驱动液的溶质从溶液中分离出来。这也即是正渗透的2个核心技术问题:一个是正渗透膜材质及结构的选择;另一个是汲取驱动溶液的选择。

    1、正渗透膜的材质及结构

    在正渗透技术中,半透膜材料是核心材料。早期研究人员使用非对称反渗透复合膜来研究正渗透过程,发现该类膜不适用于正渗透,主要原因是复合膜的多孔支撑层内产生了内浓差极化现象,大大降低了渗透过程的效率。因此,对于正渗透膜材料的研究集中在寻找渗透效率高的膜材质上,以减轻内浓差极化,解决膜通量、污染物截留率的问题。此外,还要保证膜的物理强度和耐化学性能。

    目前最好的商业化正渗透膜材料是美国HTI公司的支撑型高强度膜,该膜为3层结构:致密皮层、多孔支撑层和网格支撑层。致密皮层和多孔支撑层为亲水性,呈电中性,厚度约为50μm。据报道,该材料是由醋酸纤维素类高分子材料制备而成,结构中增加圆形纤维用以增强材料的力学强度。

    此外,以挪威Statkraft公司为核心的研究团队开发了与反渗透膜材料类似的复合正渗透膜材料,用于PRO过程,其利用淡水和海水混合自由能获得能源。研究团队的另一个小组使用强度较高的聚醚酰亚胺中空纤维膜作为支撑层,通过界面聚合成膜,制成中空纤维式复合正渗透膜。与反渗透膜材料相比,复合正渗透膜支撑层具有较高的开孔率,能够有效降低内浓差极化。

    新加坡国立大学开发了聚苯并咪唑(polybenz-iazole,PBI)中空纤维纳滤膜材料,膜表面带正电荷,对二价阳离子有较高的截留率,已在实验室中证明具有较好的正渗透性能。该膜材料外皮层结构较为致密,内表面开孔,水透过性能是目前所报道数据中最好的。

    除了内浓差极化问题,还需要解决另外一个重要的问题,即正渗透膜的化学耐受性,主要是对于酸碱的耐受及氧化剂的耐受。由于正渗透的目标应用领域多为污染程度较高的污废水,水本身的pH范围宽,可能存在大量氧化类物质,因此要求膜有很好的化学耐受性。同时,由于来水的污染程度高,清洗频率更高,为了清除大量复杂的膜表面污染,使用更高浓度的酸碱或氧化剂在所难免。因此,为了延长膜的使用寿命,在膜的化学性能耐受方面必须进行改进。

    膜的化学耐受性能主要受到两方面因素的制约:一是膜材质本身的性能;另外一个是膜的黏结剂、胶水的性能。目前的有机膜材质普遍耐氧化性能差,醋酸纤维类材质略好,但基本无法满足使用氧化剂进行清洗,仅是提高了运行稳定性。随着材料科技的发展,新的膜材料的应用可能会彻底解决这类问题。

    综合起来,作为正渗透膜应具备以下几个特征:(1)致密、低孔隙率的皮层,具有高截留率;(2)膜的皮层具有较好的亲水性、较高的水通量;(3)膜支撑层尽量薄,孔隙率高;(4)有较高的机械强度;(5)具有耐酸碱的抗化学腐蚀能力,可以在较宽的pH范围以及各种不同组成的溶液条件下正常运行。

    2、驱动溶液的选择

    以脱盐过程为例,正渗透过程利用化学位作为驱动力,不需要与反渗透过程类似的压力驱动。提供化学位的体系为汲取驱动溶液。驱动溶液是具有高渗透压的溶液体系,由驱动溶质和溶剂(溶剂一般为水)组成。正渗透过程通过汲取驱动液从原液中吸收溶剂(一般为水),再分离驱动液的溶质溶剂,达到提纯净化的目的。这就要求驱动溶液中的溶质可以通过简单、低能耗的方法与溶剂分离,之后再循环利用,使正渗透过程能够形成一个封闭的循环体系。

责任编辑:童志威

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