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正渗透技术

点击数:  发布时间:2020-06-27 15:50  信息来源:未知

正渗透(Forward osmosis, FO)是近年来发展起来的一种浓度驱动的新型膜分离技术,它是依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程,是目前世界膜分离领域研究的热点之一。相对于压力驱动的膜分离过程如微滤、超滤反渗透技术,这一技术从过程本质上讲具有许多独特的优点,如低压甚至无压操作,因而能耗较低;对许多污染物几乎完全截留,分离效果好;低膜污染特征;膜过程和设备简单等。在许多领域,特别是在海水淡化、饮用水处理和废水处理中表现出很好的应用前景。
 
作为一种新型的技术,近年来,以美国、以色列和新加坡为代表的国家投入大量资金进行研究,并且取得了阶段性成果。美国Oasys公司(Oasys Water, Inc.)成功研制成功了正渗透膜,并应用于美国permian盆地的页岩气项目中石油化工的废水的处理项目,实现零排放处理后的水质可达到饮用水的品质,而国内目前据报道只有北京沃特尔公司成功引进。(以下内容以沃特尔公司正渗透膜应用为说明依据)。
 
正渗透又称渗透,是指水或其它溶剂透过天然或人造的半透膜,由低溶质浓度侧传递到高溶质浓度侧的过程,是自然界中广泛存在的一种物理现象。当细胞膜外的溶质浓度与细胞膜内相同时,红细胞维持自然状态;当细胞膜外的溶质浓度低于细胞膜内时,细胞膜外的水分子自发的扩散到细胞膜内,使得红细胞呈现膨胀状态;当细胞膜外的溶质浓度高于细胞膜内时,细胞膜内的水分子自发的扩散到细胞膜外,使得红细胞呈现收缩状态。
 
正渗透过程无需外加压力,通过具有高渗透压的汲取液,可以透过半渗透膜将水分子自发的由低渗透压的原水侧汲取出来,而且将原水中的其他溶质截留,然后再采用其他工艺将水从被稀释的汲取液中分离出来,最终获得纯净的水,汲取液可以循环利用。驱动水分子由低浓度侧向高浓度侧流动的动力是半渗透膜两侧的渗透压差值,其理论值可以用渗透压公式计算。
 
基本原理:
反渗透(RO)、正渗透(FO)和减压渗透((Pressure Retarded Osmosis,PRO)过程的工作原理,如图1 所示。在RO 过程中,水在外加压力作用下从低化学势侧通过渗透膜扩散至高化学势侧溶液中( Δπ<ΔP),达到脱盐目的。正渗透过程刚好相反,水在渗透压作用下从化学势高的一侧自发扩散到化学势低的一侧溶液。而减压渗透可认为是反渗透和正渗透的中间过程,水压作用于渗透压梯度的反方向,水的净通量仍然是向浓缩液方向。这三个过程可以用下式来描述:Jw=A(σΔπ-ΔP);式中Jw—水通量;A—膜的水渗透性常数;σ—反扩散系数;Δπ—膜两侧的渗透压差;ΔP—膜两侧的压力差。

技术特点:
如上所述,正渗透不同于压力驱动膜分离过程,它不需要额外的水力压力作为驱动力,而依靠汲取液与原料液的渗透压差自发实现膜分离。这一过程的实现需要几个必要条件:
(1)可允许水通过而截留其他溶质分子或离子的选择性渗透膜及膜组件;
(2)提供驱动力的汲取液;
(3)对稀释后的汲取液再浓缩途径。

正渗透膜:
正渗透膜通常由活化层和支撑层组成,当原水流过活化层一侧,渗透压远高于原水的汲取液同时流过正渗透膜的支撑层一侧,水分子自发的由原水侧向汲取液侧不断流动,由于正渗透膜对原水中的盐分和其他污染物具有截留作用,因此原水中的溶质被浓缩,同时汲取液则被透过正渗透膜的水分子稀释。
汲取液
氨和二氧化碳混合气体在水中具有很高的溶解度,形成的汲取液可以产生巨大地渗透压驱动力使得水分子渗透过膜,即使高含盐量原水的总溶解性固体(TDS)高达200,000mg/L。稀释后的汲取液可以通过加热蒸发分解其中的溶质而得到循环利用,与克服水的蒸发潜热相比较,汲取液中溶质热分解所需的能量更低。
分解后氨和二氧化碳气体通过冷凝回收再溶解到汲取液中进行重复使用,除去了溶解氨和二氧化碳以后的水即为比较纯净的产水。
 

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