正渗透技术：海水淡化的新发展
日期：2010-11-2
联合国日前一份报告预测，到2025年，全球三分之二的人口都将面临饮水危机。人口增长以及降雨模式的变化将使许多国家把海洋作为饮用水的潜在来源。但由于海水淡化过程中能源需求庞大，目前的技术尚无法解决人们迫在眉睫的问题。而据《新科学家》报道，相对于传统的反渗透技术，研究人员找到了
能效相对较高的替代性选择——正渗透技术。
现代反渗透海水淡化工厂的能耗效虽然比几十年前有所提高，但一座年生产1.5亿立方米淡水的海水淡化厂也会消耗90兆瓦电力，相当于20台海上风力涡轮机的峰值输出。反渗透是一个内在的能源密集型过程，自然过程中水流由淡变咸，而反渗透过程正好相反。如果在海水中注入高浓度的“汲取液”，淡水就可以轻而易举地被提取出来，这就是一些已经开始出现的试验性“正渗透”工厂背后的原理。
美国水化技术创新公司（Hydration Technology Innovations）2004年就推出了一种基于正渗透原理的便携式水过滤器。正渗透膜被封入小型密封塑料包，包中还含有糖和香料充当汲取液来源。但是该过滤器生产清洁饮用水的成本较高，只能用于紧急情况，因此无法应对世界性水源危机。
同样是2004年，美国耶鲁大学由梅纳赫姆·伊利米勒（Menachem Elimelech）、杰弗里·麦卡琴（Jeffrey McCutcheon）、罗伯特·麦金尼斯（Robert McGinnis）组成的研究小组将正渗透理念进一步推进。该小组使用了一种基于碳酸氢铵的汲取液，铵离子和碳酸氢盐离子可以吸引水分子通过薄膜，然后加热溶液至40摄氏度，氨气和二氧化碳便会排出，留下纯净的淡水，而排出的气体可捕获后重新使用。研究小组称，如果能利用发电厂的余热蒸发气体，该方法的能耗仅是目前海水淡化工厂的20%，但这种技术对工
厂的选址要求较高。
正渗透技术面临的另一个挑战是找到合适的薄膜，只让水分通过，排除盐分在外。《海水淡化报导》的编辑汤姆·潘克拉茨（Tom Pankratz）表示：“这是正渗透产业面临的主要障碍。”正渗透膜不仅需要厚度尽量薄，以便让海水接近吸引溶液，保持高渗透压；同时也需要足够强韧，可抵抗渗透产生的水流。
水化技术创新公司开发了一种纤维素薄膜，但该膜却无法抵抗碳酸氢铵溶液的碱性。为了抵挡反渗透过程的高压，反渗透膜需要“支撑层”来强化其韧性，但如果用于正渗透，这层膜就显得过厚了。
耶鲁大学研究小组认识到，如果将支撑层出去，就可以获得合适的正渗透膜。通过试验不同的聚合物溶液，该小组找到了一种利用替代支撑层制造薄膜的方法。新薄膜除了又薄又韧外，渗透性也很好。试验中，新正渗透膜的膜通量是传统反渗透膜的9倍，能够过滤97%的盐分。伊利米勒表示，试验采用的是“手工实验室版”新薄膜，如果新膜能以工业规模生产，其性能会更好。
南洋理工大学的新加坡膜技术中心副主任王蓉（Wang Rong）最近研发出一种由微管状纤维构成的薄膜，可以使用碳酸氢铵作为汲取液。王蓉表示，这种薄膜有望使海水淡化工厂的能耗降低至少30%。中心主任托尼·费恩（Tony Fane）说，该膜的生产过程非常简单，大型海水淡化设施可按需进行组装。
英国现代之水公司（Modern Water）称已经解决了正渗透膜问题，并成功部署了正渗透装置来淡化海水，工厂能耗比传统海水淡化低30%。公司没有使用碳酸氢铵，而是利用了一种专用盐类。该公司称，新技术已经用于一座示范工厂和另一座完整规模的工厂。
尽管正渗透技术潜力巨大，但它仍存在许多障碍需要克服。美国科罗拉多矿业大学水净化专家泰西·卡斯（Tzahi Cath）认为，耶鲁大学研究小组的想法很完善，但他不认为蒸发碳酸氢铵气体的废热能够便宜到让该过程具有经济性。伊利诺斯大学海水淡化材料专家马克·香农（Mark Shannon）表示，
正渗透膜的成本过高，需求量也很大。
而两位专家都认为，正渗透技术在回收废水方面潜力巨大。香农说，由于咸度比海水低，渗透压较高，废水的膜通量更高。正渗透技术同理还可用于处理深层地下水、河口水等苦咸水。深层地下水的储量非常丰富。香农表示，几乎每个大陆下面都存在大量的苦咸水，正渗透技术有望取得了不起的成就。正渗透技术面临的另一个挑战是找到合适的薄膜，只让水分通过，排除盐分在外。《海水淡化报导》的编辑汤姆·潘克拉茨（TomPankratz）表示：“这是正渗透产业面临的主要障碍。”正渗透膜不仅需要厚
度尽量薄，以便让海水接近吸引溶液，保持高渗透压；同时也需要足够强韧，可抵抗渗透产生的水流。海水淡化技术水化技术创新公司开发了一种纤维素薄膜，但该膜却无法抵抗碳酸氢铵溶液的碱性。为了抵挡反渗透过程的高压，亲和膜色谱法研究进展。反渗透膜需要“支撑层”来强化其韧性，但如果用于
正渗透，这层膜就显得过厚了。
耶鲁大学研究小组认识到，如果将支撑层出去，就可以获得合适的正渗透膜。通过试验不同的聚合物溶液，该小组找到了一种利用替代支撑层制造薄膜的方法。新薄膜除了又薄又韧外，渗透性也很好。试验中，新正渗透膜的膜通量是传统反渗透膜的9倍，能够过滤97%的盐分。伊利米勒表示，试验采用的是“手工实验室版”新薄膜，如果新膜能以工业规模生产，其性能会更好。
南洋理工大学的新加坡膜技术中心副主任王蓉（WangRong）最近研发出一种由微管状纤维构成的薄膜，可以使用碳酸氢铵作为汲取液。王蓉表示，这种薄膜有望使海水淡化工厂的能耗降低至少30%。中心主任托尼·费恩（TonyFane）说，该膜的生产过程非常简单，大型海水淡化设施可按需进行组装。
正渗透过程的核心包括：驱动溶液和正渗透膜材料。
提供化学位的体系为驱动溶液（Draw Solution），驱动溶液是具有高渗透压的溶液体系，由驱动溶质和溶剂（一般是水）组成。如果驱动溶液中的溶质可以通过简单、低能耗的方法分离后循环利用，那么正渗透过程就能够形成一个封闭的循环体系。驱动溶液是正渗透过程顺利进行的关键组成部分，其高渗透压是由驱动液中的溶质产生的，理想的驱动溶质应该具备以下条件：
（1）在水中应该具有较高的溶解度、较小的分子量，从而能产生较高的渗透压；
（2）无毒，在水中稳定存在；
（3）与正渗透膜化学相容，不改变膜材料的性能和结构；
（4）能够简单、经济地与水分离，能够重复使用。
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，发现该结构不适合于正渗透，主要原因是复合膜材料的多孔支撑层产生了内浓差极化现象，大大降低了渗透过程的效率。因此，正渗透膜材料的研究集中在构建低内浓差极化的高通量和高截留率的膜结构。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，膜为3层结构：致密皮层，多孔支撑层和网格支撑结构。膜皮层和多孔支撑层亲水，呈电中性，厚度约为50μm。
正渗透膜应具备以下几个特征：
（1）致密的、低孔隙率的皮层，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，高孔隙率；
（4）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p H范围以及各种不同组成的溶液条件下正常运行。与反渗透技术相比较，正渗透技术具有得天独厚的优势：独有的驱动液体系，不需要外界的压力推动分离过程，能耗低；材料本身亲水，没有外加压力推动，可以有效防止膜污染；在脱盐过程中，回收率高，没有浓盐水的排放，实现零排放，是环境友好型技术；应用广泛，可以在新能源、航天、污水处理、液体食品的浓缩、包装、药物释放等诸多领域实现高效运行。
