正滲透技術(shù)處理水和廢水

1、正滲透技術(shù)處理水和廢水1引言膜分離技術(shù)由于出水水質(zhì)高、設(shè)備簡單易操作、能耗相對較低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在水 處理領(lǐng)域獲得越來越多的關(guān)注.目前應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的幾種膜分離技術(shù).其中微濾 (microfiltration，MF)、超濾(ultrafiltration，UF)、納濾(nanofiltration，NF)和反滲 透(reverse osmosis，RO)由機(jī)械壓力驅(qū)動傳質(zhì)過程，是水和廢水處理的常規(guī)技術(shù)其他膜技 術(shù)，如溫度差驅(qū)動的膜蒸餾技術(shù)(membrane distillation，MD)，電場驅(qū)動的電滲析技術(shù) (electro-dialysis， ED)，一 些由化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的膜吸收技

2、術(shù)(membrane absorption， MA) 等也成為水處理領(lǐng)域的新型技術(shù).正滲透(forward osmosis， FO)是一種由滲透壓(濃度差) 驅(qū)動的新型膜技術(shù).可用于海水脫鹽、廢水處理等方面.FO膜是一種滲透膜.名義孔徑在1 nm以下，用于截留溶解性離子和鹽類等物質(zhì)，與RO 相當(dāng).但與RO相比，F(xiàn)O無需外加機(jī)械壓力，具有低壓操作、低膜污染、高截留的優(yōu)點(diǎn)，近 年來在水處理領(lǐng)域受到較多關(guān)注.2 FO 原理(Basic principle of FO)FO膜是一種選擇性滲透膜，膜的一側(cè)是低滲透壓的待處理水，另一側(cè)是高滲透壓的汲 取液，水分子透過FO膜從低滲透壓側(cè)擴(kuò)散到高滲透壓側(cè)，從而

3、實(shí)現(xiàn)水與雜質(zhì)的分離(圖1). 該過程的驅(qū)動力是膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，不需外界提供壓力.圖1 FO工藝的原理示意圖2.1 FO應(yīng)用與運(yùn)行效果2.1.1海水(濃鹽水)脫鹽FO已被用于含鹽廢水、含鹽地下水、鹽湖水和海水的脫鹽大多數(shù)為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小試 研究，汲取液采用難揮發(fā)性(NaCl，Na2SO4, MgSO4等)或揮發(fā)性(NH3/CO2和NH4HCO3)鹽溶 液.其中Zhao等進(jìn)行的鹽湖水脫鹽，回收率達(dá)到70%.McGinnis等采用中試規(guī)模的FO處理高 鹽水(TDS70，000 ppm)，回收率達(dá)到60%，與蒸發(fā)濃縮技術(shù)相當(dāng)，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)(美國賓州 地表水排放標(biāo)準(zhǔn)TDS 500 mg - L-1

4、,氯化物 250 mg L-1,鋇 10 mg - L-1鋇，鍶 10 mg L-1）.2.1.2城市污水處理Li等采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模FO處理模擬城市徑流，發(fā)現(xiàn)FO能保持較高的滲透水通量和截留 率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，微量金屬離子、磷、硝酸鹽和總氮的截留率可分別達(dá)到98%100%、 97%100%、52%94%和65%85%，能夠克服傳統(tǒng)膜技術(shù)能耗高等缺陷.Linares等也利用FO 處理模擬城市污水，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究，多數(shù)微量金屬離子的截留率均高于99%，COD 和磷的截留率將近99%，氨和總氮的截留率可分別達(dá)到67%68%和56%59%.FO作為城市污水 的一種處理方法，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定、連續(xù)和長期運(yùn)

5、行是重要目標(biāo).2.1.3污水深度處理Cath等利用生活污水處理廠的二級和三級處理單元的出水和被污染的地表水作為待處 理水，通過FO技術(shù)來制備飲用水，其對有機(jī)化合物的截留率較高（雙氯芬酸99%，二甲苯氧 庚酸80%，萘普生90%，水楊酸72%）.在放大規(guī)模的中試試驗(yàn)中，F(xiàn)O對氨、硝酸鹽和紫外 （UV）吸收類化合物的截留率分別達(dá)到74%、78%和85%;Yangali-Quintanilla等也采用二級 出水（沙特阿拉伯的吉達(dá)魯韋斯污水處理廠）作為待處理水，間接稀釋紅海的海水，能量消耗 為 1.5 kWh m-3，低于 RO 工藝的能耗（2.54 kWh m-3）.2.1.4特殊類型廢水FO還被用

6、于染料廢水、太空廢水、含油廢水、含氯廢水、垃圾滲濾液等特殊類型廢水 處理的研究中.Ge等對染料（酸橙8）廢水進(jìn)行濃縮處理，濃縮倍數(shù)達(dá)3;同樣，Zhao等也對染 料（活性艷紅K-2BP）廢水進(jìn)行處理，截留率基本為100%.此外，F(xiàn)O被應(yīng)用到太空廢水的回用， 廢水中所含的尿素被完全截留，廢水的回收率達(dá)95%以上，.Hickenbottom等采用FO對原油 和天然氣開采時產(chǎn)生的鉆井污泥及廢水進(jìn)行處理，水回收率為80%以上;Zhang等利用FO處 理含油廢水，廢水中的油分子、NaCl和醋酸被截留，水回收率可達(dá)90%.Kong等利用FO處 理含氯廢水中的九種鹵乙酸，截留率達(dá)73.8%.Cath等提到Os

7、motek（現(xiàn)HTI公司）利用中試 規(guī)模FO處理垃圾滲濾液，平均水回收率達(dá)91.9%，多數(shù)有害物的截留率高于99.0%，最終出 水污染物排放量達(dá)到美國污染物排放系統(tǒng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn).3影響FO運(yùn)行的因素3.1膜FO膜是由支撐層和活性層構(gòu)成的非對稱性結(jié)構(gòu).支撐層使FO膜擁有較好的機(jī)械強(qiáng)度， 結(jié)構(gòu)相對疏松.而活性層相對于支撐層要薄，結(jié)構(gòu)致密，透水性和截留性好，在FO分離過程 中起關(guān)鍵作用.理想的FO膜需要滿足以下要求：高水通量和高鹽截留量;低濃差極化； 較強(qiáng)的耐酸堿性.3.1. 1膜材料（制備與改性）最早的商業(yè)化的FO膜是美國HTI公司生產(chǎn)的三醋酸纖維素膜/醋酸纖維素膜(cellulose triace

8、tate/cellulose acetate, CTA/CA).該纖維素膜有親水性強(qiáng)，高水通量，低膜污染和 高機(jī)械強(qiáng)度，耐氯等優(yōu)點(diǎn)，但是易水解、耐酸堿性差(pH 38).后來生產(chǎn)的復(fù)合薄膜 (thin-film composite，TFC)，材質(zhì)是聚酰胺，該膜克服了前者的缺點(diǎn)，在pH為211都有 較好的滲透性和穩(wěn)定性，同時具有很好的耐壓性.疏水性的支撐層提高了 TFC膜的水通量， 減小了內(nèi)部濃差極化.近年來研究者針對不同需求制備FO膜.采用相轉(zhuǎn)化法制備CTA/CA膜.研究者發(fā)現(xiàn)影響制 備的條件主要為環(huán)境濕度、凝膠浴溫度、熱處理溫度、填充劑和退火溫度也有研究者采用 界面聚合法制備TFC膜，基膜為

9、聚醚砜或聚砜，以間苯二胺(MPD)、均苯三甲酰氯(TMC)等作 溶劑，在基膜上進(jìn)行聚合得到復(fù)合膜.樊晉瓊等通過超聲將不同量的TiO2顆粒分散(約5 min) 在水相或有機(jī)相中，采用界面聚合制備了 TiO2/聚酰胺復(fù)合膜，膜的水通量是未添加TiO2 膜的2倍，截鹽率可以達(dá)到99.9%.此外，一些研究者為了緩解FO膜污染或提高FO截留效果對現(xiàn)有FO膜進(jìn)行化學(xué)改 性.Nguyen等采用兩性離子氨基酸(L-DOPA )對CTA膜支撐層表面進(jìn)行修飾，發(fā)現(xiàn)修飾后的膜 具有更強(qiáng)的親水性和防垢性，其污染程度要比未修飾膜低30%.Castrillon等用伯胺和聚乙 二醇對TFC膜進(jìn)行表面修飾，修飾后的膜防垢性同

10、樣增強(qiáng)，修飾后和未修飾的膜的水通量降 低量分別是7.2%2%和15.7%5.3%.Wang等通過對二芐氯和聚苯并咪唑的交聯(lián)實(shí)現(xiàn)了對FO 膜孔徑的控制，使FO對氯化鈉的截留率高達(dá)99.5%.3.1.2膜性質(zhì)目前已知對FO運(yùn)行效果有影響的膜性質(zhì)主要為表面電荷、親疏水性、粗糙度、活性層 及支撐層的厚度、孔隙率、彎曲度和孔結(jié)構(gòu)等FO膜表面往往帶負(fù)電荷，會與被截留的污染 物產(chǎn)生靜電(排斥或吸引)作用，從而影響污染物的去除.疏水性相對較強(qiáng)的膜會使疏水的物 質(zhì)在膜表面沉積，形成污染層.膜表面形貌(粗糙度)也會影響污染物與膜之間的作用力，從 而對膜污染產(chǎn)生影響.而活性層及支撐層的厚度、孔隙率、彎曲度和孔結(jié)構(gòu)則

11、更多地影響內(nèi) 外部濃差極化，詳見本文4.1節(jié).3.1.3膜方向FO膜是非對稱性膜，支撐層疏松，活性層致密水處理過程中根據(jù)活性層朝向分為兩種 運(yùn)行模式：活性層朝向原水(active layer facing the feed solution AL-FS)和活性層朝 向汲取液(active layer facing the draw solution, AL-DS).膜方向?qū)λ?、截留率?膜污染也有較大影響.多數(shù)學(xué)者認(rèn)為AL-FS比AL-DS模式具有優(yōu)勢.研究者在FO截留微量硼、砷、藥物(卡馬 西平，磺胺甲惡唑)、鹵乙酸(HAA)、二級出水中所含有機(jī)物(腐殖酸，生物聚合物，小分子 酸等)的研

12、究中發(fā)現(xiàn)AL-DS模式下，水通量雖然高，但會發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)部濃差極化和膜污染， 因此降低污染物的去除率.也有學(xué)者認(rèn)為AL-DS模式更好.Zheng等采用FO對水中四環(huán)素進(jìn)行去除的過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng) pH為78時，四環(huán)素帶負(fù)電，由于FO膜支撐層所帶的負(fù)電荷要高于活性層，在AL-DS模式 下增強(qiáng)了膜與四環(huán)素之間的排斥作用，提高了其截留率此外，Zhao等認(rèn)為膜方向的選擇決定于廢水的成分，當(dāng)處理高污染的廢水(廢水回用， 膜生物反應(yīng)器和食物蛋白的濃縮)或含鹽量較高的水(海水脫鹽和鹽水濃縮)時，膜方向應(yīng)選 用AL-FS模式，可以減少膜污染，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高水通量的運(yùn)行;反之，則采用AL-DS模式.3.2汲取液汲取液產(chǎn)

13、生FO的推動力，對FO效率具有直接影響.汲取液再生一直是限制FO廣泛應(yīng)用 的關(guān)鍵問題之一.汲取液的選取應(yīng)該滿足以下要求：高于原水的滲透壓、易于再生、低返混 擴(kuò)散性、安全無毒、成本低、抗生物污損等.3.2.1汲取液種類無機(jī)鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，水溶性強(qiáng)的無機(jī)鹽，可以產(chǎn)生高的滲透壓，使FO具有較高的水通量.如 KHCO3， NaHCO3， KCl， NaNO3 和 KNO3， NaCl 等.質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高的無機(jī)鹽，如NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、Ca(NO3)2、(NH4)2SO4等，往 往具有溶質(zhì)返混通量較低的優(yōu)勢.從降低汲取液再生成本角度，一些無機(jī)鹽具有自身特性.如MgSO4和Na2SO

14、4,由于SO42- 可以被NF膜截留，因此可采用NF替代RO進(jìn)行再生.NH4HCO3用作汲取液，通過適當(dāng)加熱， 可生成氨氣和二氧化碳(繼續(xù)回用)，從而得到較純凈的水，與現(xiàn)有的膜技術(shù)相比，能耗節(jié)省 72%85%.CuSO4作為汲取液時，回收時采用與Ba(OH)2發(fā)生置換反應(yīng)，生成Cu(OH)2和BaSO4 沉淀的方法，此過程無能量消耗，而且生成的Cu(OH)2還可以通過與H2SO4反應(yīng)得到CuSO4, 繼續(xù)作為汲取液重復(fù)使用.某些含氮、磷、鉀等無機(jī)鹽是化肥中所含的主要成分，因此，被 稀釋后的汲取液可以直接進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，降低了回收再生的能耗費(fèi)用.另外，海水作為汲取 液，被稀釋的海水在進(jìn)一步進(jìn)行海水

15、淡化時，能耗和成本大大降彳氐選取汲取液時，還需考慮待處理水的成分.當(dāng)待處理水中含有結(jié)垢的先驅(qū)物(Ba2+、Ca2+、 Mg2+、SO42-和CO32-)時，MgCl2因不易結(jié)垢被認(rèn)為是最好的汲取液.有機(jī)類小分子有機(jī)類汲取液，易揮發(fā)回收.如Stone等采用一種由叔胺、二氧化碳和水的混合 物作，稱為可變極性溶劑(Switchable polarity solvents，SPS)作為汲取液.能夠產(chǎn)生較高 的滲透壓(13 Osm kg-1).該汲取液通過鼓入CO2和氮?dú)猓m當(dāng)?shù)募訜岜憧苫厥?還有研究 者選用甲醚作為汲取液，將其放置在室溫下，便可以揮發(fā)，實(shí)現(xiàn)分離，基本無能量的消耗大分子有機(jī)類汲取液，具有

16、低溶質(zhì)返混通量等特點(diǎn)如2-甲基咪唑基類化合物，兩性離 子(甘氨酸、脯氨酸、甜菜堿)，EDTA鈉鹽，復(fù)雜化合物Na4Co(C6H4O7)2 2H2O(Na-Co-CA)， 木質(zhì)素磺酸鈉(NaLS)，磷腈鈉鹽和鋰鹽等可以產(chǎn)生高的滲透壓.聚合高分子電解質(zhì)使FO具有高水通量，高鹽截留率，基本無溶質(zhì)返混現(xiàn)象，也可作FO 汲取液.聚丙烯酰胺(PAM)，聚合水凝膠，膠質(zhì)溶液，可產(chǎn)生較穩(wěn)定的滲透壓和水通量，溶質(zhì) 返混通量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他汲取液.一些熱敏性和水溶性較強(qiáng)的聚合高分子電解質(zhì)，在45C, 2 bar條件下通過熱UF過程便可回收.(3 )納米材料超親水性的納米顆粒，直徑大約為5 nm,可產(chǎn)生較高的滲透壓，

17、可用于FO系統(tǒng).Na等 合成了一種超強(qiáng)親水性檸檬酸磁性納米材料(cit-MNPs).該材料被作為一種適用的汲取液應(yīng) 用到FO中.3.2.2汲取液濃度汲取液濃度影響水通量.主要原因是濃度升高導(dǎo)致其滲透壓升高，膜兩側(cè)的滲透壓差(n D-n F)變大，滲透驅(qū)動力變大，水通量升高.有研究認(rèn)為在一定的濃度范圍內(nèi)，水通量隨著 汲取液濃度的增加而增加，超過一定值后，水通量不再變化如Cornelissen等采用ZnSO4 作為汲取液時，濃度在0.52.3 mol - L-1范圍內(nèi)，水通量隨濃度的增加而增加，超過2.3 mol L-1，水通量基本不變;除此之外，Hau等用EDTA作為汲取液時，當(dāng)濃度超過1.0m

18、ol L-1， 水通量維持不變，原因是水通量的升高加重了支撐層內(nèi)稀釋型內(nèi)部濃差極化汲取液濃度對溶質(zhì)返混通量的影響見解不一.有研究認(rèn)為影響較小，基本可以忽略.也有 研究汲取液(EDTA鈉鹽)濃度較低時，溶質(zhì)返混通量隨著汲取液濃度的增加而增加;濃度較高 時，溶質(zhì)返混通量變化不明顯(Hau et al.，2014).汲取液濃度的增大可能增加溶液的粘度，從而增加泵的能耗3.3原水性質(zhì)3.3.1原水組成根據(jù)原水中主要物質(zhì)組成可將原水分為無機(jī)類和有機(jī)類其中無機(jī)類主要是含鹽水.有 機(jī)類包括染料廢水、太空廢水、含油廢水，含氯水(鹵乙酸)、城市污水，地表水中污染物 (PhACs，TrOCs)等，詳見本文2.12

19、.4節(jié)應(yīng)用部分.3.3.2原水濃度原水中鹽濃度的升高導(dǎo)致原水側(cè)滲透壓升高，膜兩側(cè)的滲透壓差(n D-n F)變小，滲透 驅(qū)動力變小，水通量降低，截留率降低不明顯.3.4運(yùn)行條件3.4.1溫度溫度影響FO的水通量、溶質(zhì)返混通量和膜污染.溫度升高使溶液的粘度降低，擴(kuò)散和傳質(zhì)系數(shù)提高，減小濃差極化，提高水通量溫度 升高，會使溶液滲透壓升高，最終使水通量增加，見公式(1)：772.30261n(Iog(ow)式中，兀是滲透壓(bar), R是氣體常數(shù)(8.314 Jmol-1K-1), T、V、aW分別是是溫 度(K)、摩爾體積(18 mL mol-1)和水的活度.3.4.2 pHpH改變影響膜表面性

20、質(zhì)，進(jìn)而影響FO的水通量和截留效果.研究者發(fā)現(xiàn)pH的改變會引 起交聯(lián)膜聚合結(jié)構(gòu)構(gòu)象和表面疏水性的改變，隨著pH的增加，膜表面的電負(fù)性增強(qiáng)，使聚 合物基體上可電離官能團(tuán)之間的排斥作用增強(qiáng)，最終使平均孔徑變大，滲透水通量增加;另 外，隨著pH增加，膜表面的親水性會增強(qiáng)，有利于提高水通量Xie等發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH高于5.8 時，原水中模擬污染物磺胺甲惡唑呈電負(fù)性，pH升高使FO膜AL表面電負(fù)性增強(qiáng)，因此膜 表面與污染物之間的斥力增強(qiáng)，從而提高了污染物的截留率(Xie et al. 2012).pH改變影響原水中污染物化學(xué)形態(tài)，進(jìn)而影響FO的截留率.如Kim等用FO截留B3+時， 當(dāng)pH升高，B3+與OH-結(jié)

21、合生成B(OH)3,水合半徑增大，更易被截留；當(dāng)pH繼續(xù)升高，B(OH)3 水進(jìn)一步水解為B(OH)4-，B(OH)4-與FO膜表面負(fù)電荷產(chǎn)生排斥作用，截留率進(jìn)一步提高.Xie 發(fā)現(xiàn)pH在3.57.5范圍變化時，原水中的卡馬西平呈電中性，因此不受膜表面電荷變化的 影響，截留率也不受影響;但pH高于5.8時，呈現(xiàn)電負(fù)性的磺胺甲惡唑的截留率隨pH升高 而升高.pH改變影響汲取液溶質(zhì)化學(xué)形態(tài)，進(jìn)而影響返混通量.Hau等利用EDTA鈉鹽作為汲取液 時，當(dāng)pH高于7時，EDTA4-本身會結(jié)合自由態(tài)的Na+，生成NaEDTA3-，降低汲取液的返 混通量.3.4.3流速和流向原水和汲取液的流速升高，增大膜表

22、面的水流剪切力，可以產(chǎn)生較快的滲透流稀釋作用， 提高傳質(zhì)系數(shù)，降低外部濃差極化，從而使FO水通量增加.但有些研究者認(rèn)為當(dāng)流速在小范 圍改變時，并不足以引起傳質(zhì)及外部濃差極化的改變流向指原水流和汲取液流的相對方向，為順流或逆流但可能由于FO研究的規(guī)模都很 小，流向?qū)O的影響并未體現(xiàn)出來.4存在問題雖然FO成為近年來的研究熱點(diǎn)，但目前仍未得到廣泛應(yīng)用，濃差極化、膜污染、汲取 液溶質(zhì)返混，汲取液的后處理等問題亟待解決.4.1濃差極化4.1.1外部濃差極化和內(nèi)部濃差極化外部濃差極化發(fā)生在FO膜外部，即活性層和支撐層的表面.可分為濃縮型外部濃差極化 和稀釋型外部濃差極化.當(dāng)采用AL-FS模式時，原水中

23、水分子通過FO膜時，溶質(zhì)(污染物) 被截留，在膜的活性層與原水界面區(qū)域溶質(zhì)濃度越來越高，發(fā)生濃縮型外部濃差極化(圖 2a)，在膜的支撐層與汲取液界面區(qū)域溶質(zhì)濃度會被水稀釋;當(dāng)采用AL-DS模式時，水分子通 過FO膜進(jìn)入汲取液，膜的活性層與汲取液界面區(qū)域汲取液被稀釋，溶質(zhì)濃度降低，發(fā)生稀 釋型外部濃差極化(圖2b),同時在膜的支撐層與原水界面區(qū)域發(fā)生濃縮型濃差極化內(nèi)部濃 差極化發(fā)生在FO的支撐層內(nèi)部，分為濃縮型內(nèi)部濃差極化和稀釋型內(nèi)部濃差極化當(dāng)AL-FS 時，發(fā)生稀釋型內(nèi)部濃差極化(圖2a藍(lán)色區(qū)域)；當(dāng)AL-DS時，發(fā)生濃縮型內(nèi)部濃差極化(圖 2b藍(lán)色區(qū)域).與發(fā)生在支撐層內(nèi)部濃差極化相比，發(fā)生

24、在支撐層外部的濃差極化可以被忽 略.圖2內(nèi)部濃差極化和外部濃差極化(a. AL-FS模式下的濃縮型外部濃差極化和稀釋型內(nèi) 部濃差極化，b. AL-DS模式下的稀釋型外部濃差極化和濃縮型內(nèi)部濃差極化)4.1.2濃差極化對水通量的影響外部濃差極化2006年，McCutcheon等根據(jù)薄膜理論分析外部濃差極化.濃縮型外部濃差極化僅發(fā)生在 原水側(cè)：(2)稀釋型外部濃差極化與濃縮型濃差極化相似，但是僅發(fā)生在汲取液側(cè)：打m行臨小三仁卬(=扁/吊)(3)式中，n Feed，m和n Draw， b分別是原水一側(cè)膜表面和主體溶液的滲透壓;n Draw，m 和n Draw，b分別是汲取液一側(cè)膜表面和主體溶液的滲透

25、壓(bar);JW是水通量(L皿-2 h-1); K是傳質(zhì)系數(shù)(ms-1).傳質(zhì)系數(shù)K與Sh密切相關(guān)，其中k - ShD/dh(4)式中，D是溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)(m2 - s-1);dh是水力直徑(m);Sh舍伍德數(shù)由公式(5)(6)獲 得：Sh = 1.85 (ReSe)(層流)(5)Sh= 0.04牖咆心(紊流)(6)式中，Re是雷諾數(shù)，Sc是施密特?cái)?shù)，L是管道長度(m).由=2Ul/L + H)(7)式中，L, H分別是矩形槽的長(m)和高(m).水通量可以簡化為：Al 二=4 (一 打Frtd.m(8)式中，A是水透過膜的滲透系數(shù)(m3 m-2 s-1 bar-1).由公式(2)(3)(8

26、)，McCutcheon and Elimelech得到水通量可以表示為人二且打 IM /K)(9)該公式既包含了濃縮型外部濃差極化，也包含了稀釋型外部濃差極化隨后，Zhao等對該公式進(jìn)行了修正，得到(人/、*d)(10)但該模型并不包含內(nèi)部濃差極.內(nèi)部濃差極化有學(xué)者采用溶液擴(kuò)散理論對內(nèi)部濃差極化進(jìn)行研究，得到水通量公式(11：L二云廚一)(11)式中，K為溶質(zhì)在多孔支撐層內(nèi)的阻力系數(shù)(sm-1).而K = tr/Ds(12)式中，t、T、為支撐層的厚度(m)、彎曲度、孔隙率.但是公式(12)僅適用于水通量 較小的情況，對FO膜而言，水通量相對較大，因此需要深入研究，分別討論濃縮型和稀釋 型內(nèi)

27、部濃差極化.對于濃縮型內(nèi)部濃差極化(AL-DS模式下)和稀釋型內(nèi)部濃差極化(AL-FS模 式下)，水通量的表達(dá)式分別如公式(13)和(14)：1偵口5 * - Jllk =7-匚廣)(13)(1 .膈蛆2個&31k4打角叩上+ & = J(14)式中，B是溶質(zhì)的滲透系數(shù)(ms-1).內(nèi)部濃差極化和外部濃差極化為更好地表達(dá)濃差極化對水通量的影響，將以上內(nèi)部濃差極化和外部濃差極化公式綜合 得到AL-DS和AL-FS模式下的濃差極化公式(15)(16):AL-DS模式A- J./Q -打y/xp(RK)(15)AL-FS模式h 二4|蜘占5( - J/) 汗f4kP(R/Q(16)4.1.3濃差極化

28、的控制兩種類型外部濃差極化均降低膜兩側(cè)的滲透壓，使水通量降低外部濃差極化可以通過 增大流速，加劇膜表面湍流程度，增大膜表面剪切力等方法，使膜表面溶液濃度與主體溶液 濃度盡可能地達(dá)到均一來削減其影響，也可以通過降低水通量，減小膜表面溶液濃度的變化， 從而緩解外部濃差極化.內(nèi)部濃差極化發(fā)生在支撐層內(nèi)部，由公式(12)來看內(nèi)部濃差極化與FO膜支撐層的彎曲 度T、厚度偵隙率、溶質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)D有關(guān)，因此削減內(nèi)部濃差極化，必須從膜制備和 膜改性等方面考慮，使之成為無多孔支撐層結(jié)構(gòu)的膜，使溶質(zhì)分子無法滲透進(jìn)入支撐層內(nèi)部.4.2膜污染膜污染問題是幾乎所有膜分離技術(shù)的重要問題膜污染使FO水通量下降.但在某些條件

29、 下可以有限的提高目標(biāo)污染物的截留率，如Hancock等采用FO對TrOC(醫(yī)藥、個人護(hù)膚品， 增塑劑和阻燃劑)進(jìn)行截留，發(fā)現(xiàn)由于膜污染，污染物的截留率99%;而對于微污染物， Linares等發(fā)現(xiàn)污染后的FO膜對親水類中性化合物、疏水類中性化合物和離子態(tài)化合物的 的截留率均高于未發(fā)生污染的膜.但膜污染過于嚴(yán)重時，會影響出水水質(zhì)，甚至?xí)黾幽芎?和處理成本.FO膜污染幾乎是可逆的，比RO過程中發(fā)生的膜污染程度輕.原因是FO操作時壓力小， 形成的污染層較疏松，通過簡單的物理清洗就可以去除但若長期應(yīng)用到實(shí)際廢水的過濾工 藝中，也會產(chǎn)生不可逆的膜污染，需要通過選擇合適的化學(xué)試劑進(jìn)行清洗，來恢復(fù)其通量

30、4.2. 1膜污染類型膜污染包括有機(jī)污染、無機(jī)污染和微生物污染更多FO研究針對的是有機(jī)污染.有機(jī)污染與分子內(nèi)的粘附力有緊密關(guān)系，而且有機(jī)物之 間的相互作用也可能影響膜污染的速度和程度.FO膜表面的有機(jī)污染是由化學(xué)作用和水力 作用共同導(dǎo)致，化學(xué)作用主要是架橋，水力作用包括滲透拖曳力和表面剪切力能夠在膜表 面形成有機(jī)污染的物質(zhì)包括海藻酸鈉，牛血清白蛋白，腐殖酸，富里酸，溶菌酶等導(dǎo)致膜表面無機(jī)污染的污染物主要為鈣、硅等鈣離子除了直接在膜表面形成無機(jī)結(jié)垢 污染，還能通過使有機(jī)污染物之間產(chǎn)生架橋作用，加重有機(jī)污染硅納米顆粒主要是在膜表 面形成膠體污染.生物污染主要由水中的微生物及其所分泌的胞外多聚物（E

31、PS）導(dǎo)致，尤其是在FO-MBR 中，原因是FO膜多呈疏水性膜，而生物聚合物中的蛋白質(zhì)也多為疏水性物質(zhì)，容易在膜表 面沉積.4.2.2膜污染的影響因素FO膜的親疏水性，膜表面電荷，粗糙度，表面官能團(tuán)對膜污染均有影響對膜表面進(jìn)行 修飾或合成新復(fù)合薄膜，改變膜表面特性，可以使其防垢性增強(qiáng)原水中的污染物也影響膜污染.往往污染物-膜表面、污染物之間會產(chǎn)生協(xié)同作用，使污 染加重，水通量下降.操作條件對膜污染也有影響，主要是膜方向、溫度和流速 AL-DS模式比AL-FS模式更 易受污染.溫度升高會使膜結(jié)垢和清洗問題加劇.溫度的改變還會改變污染物的對流和擴(kuò)散 作用，從而影響膜污染.流速的提高可以增強(qiáng)膜表面的

32、水力剪切作用，防止污染物在膜表面 沉積.4.3汲取液溶質(zhì)返混FO過程中，由于膜兩側(cè)的濃度不同，汲取液中的溶質(zhì)會通過FO膜進(jìn)入原水中，這種現(xiàn) 象被稱為汲取液溶質(zhì)返混.溶質(zhì)返混使?jié)B透壓降低，引起膜污染，從而影響FO的穩(wěn)定運(yùn)行. 溶質(zhì)返混現(xiàn)象在FO過程中是不可避免的，受到汲取液物化性質(zhì)（擴(kuò)散性，離子或分子尺寸， 粘度），流速，膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)外濃差極化等因素的影響.4.4汲取液再生汲取液再生是影響FO技術(shù)能耗的關(guān)鍵.傳統(tǒng)用RO再生能耗太高.目前，汲取液的再生方 法包括：直接利用，如灌溉、沙漠修復(fù);熱分離;膜分離技術(shù)，如RO、NF、UF、MD、 ED;化學(xué)反應(yīng)沉淀;刺激響應(yīng)及其相關(guān)的組合工藝等.汲取液再生是影響FO技術(shù)能耗的關(guān)鍵.傳統(tǒng)用RO再生能耗太高.目前，汲取液的再生方 法包括：直接利用，如灌溉、沙漠修復(fù);熱分離;膜分離技術(shù)，如RO、NF、UF、MD、 ED;化學(xué)反應(yīng)沉淀;刺激響應(yīng)及其相關(guān)的組合工藝等.具體參見污