正渗透技术处理水和废水
1 引言
膜分离技术由于出水水质高、设备简单易操作、能耗相对较低、适应性强等特点，在水处理领域获得越来越多的关注.目前应用于水处理领域的几种膜分离技术.其中微滤(microfiltration，MF)、超滤(ultrafiltration，UF)、纳滤(nanofiltration，NF)和反渗透(reverse osmosis，RO)由机械压力驱动传质过程，是水和废水处理的常规技术.其他膜技术，如温度差驱动的膜蒸馏技术(membrane distillation，MD)，电场驱动的电渗析技术(electro-dialysis，ED)，一些由化学反应驱动的膜吸收技术(membrane absorption，MA)等也成为水处理领域的新型技术.正渗透(forward osmosis，FO)是一种由渗透压(浓度差)驱动的新型膜技术.可用于海水脱盐、废水处理等方面.
FO膜是一种渗透膜.名义孔径在1 nm以下，用于截留溶解性离子和盐类等物质，与RO 相当.但与RO相比，FO无需外加机械压力，具有低压操作、低膜污染、高截留的优点，近年来在水处理领域受到较多关注.
2 FO原理(Basic principle of FO)
FO膜是一种选择性渗透膜，膜的一侧是低渗透压的待处理水，另一侧是高渗透压的汲取液，水分子透过FO膜从低渗透压侧扩散到高渗透压侧，从而实现水与杂质的分离(图 1).该过程的驱动力是膜两侧溶液的渗透压差，不需外界提供压力.
图 1 FO工艺的原理示意图
2.1 FO应用与运行效果
2.1.1 海水(浓盐水)脱盐
FO已被用于含盐废水、含盐地下水、盐湖水和海水的脱盐.大多数为实验室规模的小试研究，汲取液采用难挥发性(NaCl，Na2SO4，MgSO4等)或挥发性(NH3/CO2和NH4HCO3)盐溶液.其中Zhao等进行的盐湖水脱盐，回收率达到70%.McGinnis等采用中试规模的FO处理高盐水(TDS>70，000 ppm)，回收率达到60%，与蒸发浓缩技术相当，出水水质达标(美国宾州
地表水排放标准TDS < 500 mg·L-1，氯化物 < 250 mg·L-1，钡 < 10 mg·L-1钡，锶 < 10 mg·L-1).
2.1.2 城市污水处理
Li等采用实验室规模FO处理模拟城市径流，发现FO能保持较高的渗透水通量和截留率，实现稳定运行，微量金属离子、磷、硝酸盐和总氮的截留率可分别达到98%~100%、97%~100%、52%~94%和65%~85%，能够克服传统膜技术能耗高等缺陷.Linares等也利用FO
处理模拟城市污水，进行实验室规模的研究，多数微量金属离子的截留率均高于99%，COD 和磷的截留率将近99%，氨和总氮的截留率可分别达到67%~68%和56%~59%.FO作为城市污水的一种处理方法，实现其稳定、连续和长期运行是重要目标.
2.1.3 污水深度处理
Cath等利用生活污水处理厂的二级和三级处理单元的出水和被污染的地表水作为待处理水，通过FO技术来制备饮用水，其对有机化合物的截留率较高(双氯芬酸>99%，二甲苯氧庚酸>80%，萘普生>90%，水杨酸>72%).在放大规模的中试试验中，FO对氨、硝酸盐和紫外(UV)吸收类化合物的截留率分别达到74%、78%和85%;Yangali-Quintanilla等也采用二级出水(沙特阿拉伯的吉达鲁韦斯污水处理厂)作为待处理水，间接稀释红海的海水，能量消耗为1.5 kWh·m-3，低于RO工艺的能耗(2.5~4 kWh·m-3).
2.1.4 特殊类型废水
FO还被用于染料废水、太空废水、含油废水、含氯废水、垃圾渗滤液等特殊类型废水处理的研究中.Ge等对染料(酸橙8)废水进行浓缩处理，浓缩倍数达3;同样，Zhao等也对染料(活性艳红K-2BP)废水进行处理，截留率基本为100%.此外，FO被应用到太空废水的回用，废水中所含的尿素被完全截留，废水的回收率达95%以上，.Hickenbottom等采用FO对原油和天然气开采时产生的钻井污泥及废水进行处理，水回收率为80%以上;Zhang等利用FO处理含油废水，废水中的油分子、NaCl和醋酸被截留，水回收率可达90%.Kong等利用FO处理含氯废水中的九种卤乙酸，截留率达73.8%.Cath等提到Osmotek(现HTI公司)利用中试规模FO处理垃圾渗滤液，平均水回收率达91.9%，多数有害物的截留率高于99.0%，最终出水污染物排放量达到美国污染物排放系统规定的标准.
3 影响FO运行的因素
3.1 膜
FO膜是由支撑层和活性层构成的非对称性结构.支撑层使FO膜拥有较好的机械强度，结构相对疏松.而活性层相对于支撑层要薄，结构致密，透水性和截留性好，在FO分离过程中起关键作用.理想的FO膜需要满足以下要求：①高水通量和高盐截留量;②低浓差极化;③较强的耐酸碱性.
3.1.1 膜材料(制备与改性)
最早的商业化的FO膜是美国HTI公司生产的三醋酸纤维素膜/醋酸纤维素膜(cellulose triacetate/cellulose acetate，CTA/CA).该纤维素膜有亲水性强，高水通量，低膜污染和高机械强度，耐氯等优点，但是易水解、耐酸碱性差(pH 3~8).后来生产的复合薄膜
(thin-film composite，TFC)，材质是聚酰胺，该膜克服了前者的缺点，在pH为2~11都有较好的渗透性和稳定性，同时具有很好的耐压性.疏水性的支撑层提高了TFC膜的水通量，减小了内部浓差极化.
近年来研究者针对不同需求制备FO膜.采用相转化法制备CTA/CA膜.研究者发现影响制备的条件主要为环境湿度、凝胶浴温度、热处理温度、填充剂和退火温度.也有研究者采用界面聚合法制备TFC膜，基膜为聚醚砜或聚砜，以间苯二胺(MPD)、均苯三甲酰氯(TMC)等作溶剂，在基膜上进行聚合得到复合膜.樊晋琼等通过超声将不同量的TiO2颗粒分散(约5 min)在水相或有机相中，采用界面聚合制备了TiO2/聚酰胺复合膜，膜的水通量是未添加TiO2膜的2倍，截盐率可以达到99.9%.
此外，一些研究者为了缓解FO膜污染或提高FO截留效果对现有FO膜进行化学改
性.Nguyen等采用两性离子氨基酸(L-DOPA)对CTA膜支撑层表面进行修饰，发现修饰后的膜具有更强的亲水性和防垢性，其污染程度要比未修饰膜低30%.Castrillón等用伯胺和聚乙二醇对TFC膜进行表面修饰，修饰后的膜防垢性同样增强，修饰后和未修饰的膜的水通量降低量分别是7.2%±2%和15.7%±5.3%.Wang等通过对二苄氯和聚苯并咪唑的交联实现了对FO 膜孔径的控制，使FO对氯化钠的截留率高达99.5%.
3.1.2 膜性质
目前已知对FO运行效果有影响的膜性质主要为表面电荷、亲疏水性、粗糙度、活性层及支撑层的厚度、孔隙率、弯曲度和孔结构等.FO膜表面往往带负电荷，会与被截留的污染物产生静电(排斥或吸引)作用，从而影响污染物的去除.疏水性相对较强的膜会使疏水的物质在膜表面沉积，形成污染层.膜表面形貌(粗糙度)也会影响污染物与膜之间的作用力，从而对膜污染产生影响.而活性层及支撑层的厚度、孔隙率、弯曲度和孔结构则更多地影响内外部浓差极化，详见本文4.1节.
3.1.3 膜方向
FO膜是非对称性膜，支撑层疏松，活性层致密.水处理过程中根据活性层朝向分为两种运行模式：活性层朝向原水(active layer facing the feed solution，AL-FS)和活性层朝向汲取液(active layer facing the draw solution，AL-DS).膜方向对水通量、截留率和膜污染也有较大影响.
多数学者认为AL-FS比AL-DS模式具有优势.研究者在FO截留微量硼、砷、药物(卡马西平，磺胺甲恶唑)、卤乙酸(HAA)、二级出水中所含有机物(腐殖酸，生物聚合物，小分子酸等)的研究中发现AL-DS模式下，水通量虽然高，但会发生严重的内部浓差极化和膜污染，因此降低污染物的去除率.
也有学者认为AL-DS模式更好.Zheng等采用FO对水中四环素进行去除的过程中发现当pH为7~8时，四环素带负电，由于FO膜支撑层所带的负电荷要高于活性层，在AL-DS模式下增强了膜与四环素之间的排斥作用，提高了其截留率.
