国际正渗透膜技术研讨会IFOS2016回顾:正渗透可行吗?

回顾了2016年底在悉尼召开的国际正渗透研讨会的主要内容,概括了近年来正渗透技术研究和应用的最新进展。在膜材料方面,提高水通量应着重于降低支撑层结构参数,而不是提高分离层的渗透性能。提高分离层的截留率和耐污染性是提高膜性能的关键。对于各种类型的驱动溶质而言,无机盐很可能是最为现实可靠的驱动溶质。正渗透技术在渗透稀释和与其他分离技术的耦合过程处理高含盐污染水源中有潜在应用,然而渗透能发电在短期很难成为主流的新兴能源。     

正渗透过程中水与溶质的传递现象

正渗透是一种利用渗透原理的新兴膜技术,近年来在国内外受到了广泛的关注。解析该过程中溶剂水的传递和驱动溶质的反向传递对其发展和应用至为关键。首先开展了两种膜的取向下,正渗透过程中的水通量和溶质反向摩尔通量的实验研究。当驱动溶液在膜分离层侧时,水通量更高,而溶质反向摩尔通量更低,表明水的传递对溶质的反向传递有限制作用。而后分别考察了不同的单一溶质和二元混合溶质作为驱动溶质时,水和溶质的传递现象。当单一中性溶质或电解质作为驱动溶质时,水通量和溶质反向摩尔通量均随驱动溶液浓度的升高而增大;在相同操作条件下,驱动溶质的扩散系数越小,溶质反向摩尔通量越小;中性溶质与电解质混合溶液为驱动溶液时,溶质分子之间存在耦合传递效应。     

正渗透过程中水与溶质的传递现象

正渗透是一种利用渗透原理的新兴膜技术,近年来在国内外受到了广泛的关注。解析该过程中溶剂水的传递和驱动溶质的反向传递对其发展和应用至为关键。首先开展了两种膜的取向下,正渗透过程中的水通量和溶质反向摩尔通量的实验研究。当驱动溶液在膜分离层侧时,水通量更高,而溶质反向摩尔通量更低,表明水的传递对溶质的反向传递有限制作用。而后分别考察了不同的单一溶质和二元混合溶质作为驱动溶质时,水和溶质的传递现象。当单一中性溶质或电解质作为驱动溶质时,水通量和溶质反向摩尔通量均随驱动溶液浓度的升高而增大;在相同操作条件下,驱动溶质的扩散系数越小,溶质反向摩尔通量越小;中性溶质与电解质混合溶液为驱动溶液时,溶质分子之间存在耦合传递效应。     

正渗透汲取液的研究进展

正渗透是以膜两侧汲取液和原料液之间的渗透压差为驱动力,使水从原料液(较低渗透压)一侧自发传递到汲取液(较高渗透压)一侧的膜分离技术。汲取液是影响正渗透分离性能的重要因素之一,然而目前使用的大多数汲取液面临反向溶质渗透严重和再生能耗高的问题,这导致了正渗透性能的显著下降。简要介绍了近几年国内外主要研究的新型汲取液,分析总结了不同汲取液的优点及其应用范围。     

正渗透膜生物反应器膜过滤特性研究

以氯化钠为驱动溶质,采用正渗透膜生物反应器处理模拟生活污水,系统地考察了各因素对正渗透膜过滤性能的影响。结果表明,随着驱动液浓度增加,水通量和反向盐通量也随之增加;正渗透膜活性层朝向驱动液时(AL-DS)的水通量和反向盐通量较活性层朝向原料液(AL-FS)时大;水通量和反向盐通量与错流速率正相关,在错流速率较低时增加不明显;随着活性污泥浓度增加,水通量呈下降趋势,而反向盐通量呈上升趋势。     

操作条件对正渗透分离性能的影响

正渗透是以渗透压差为驱动力的新型膜分离过程。采用水流分布较佳的膜池结构,研究了膜朝向、流动方式对正渗透水通量性能的影响,结果表明PRO模式（当膜的活性层朝向驱动液时）的水通量明显高于FO模式（当膜的活性层朝向原料液时）,但其衰减程度较大;在溶液浓度差相同的条件下,逆流操作更利于水通量的提高。针对FO模式和逆流条件,探讨了溶液温度对水通量和反向盐通量的影响,结果表明：膜两侧溶液温度同步升高时,正渗透过程的水通量和反向盐通量均增加,且水通量的增加幅度大于反向盐通量;单侧增加溶液的温度时,驱动液侧温度升高对水通量性能的提升效果优于原料液侧。综合考虑过程能耗和系统性能,认为单独升高驱动液温度更具实用价值。     

正渗透技术研究综述及应用展望

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。     

正渗透膜净水试验研究

研究了正渗透(FO)过程中水通量和驱动溶质扩散规律,并以奎宁和腐殖酸作为模型有机物,研究FO膜对有机物的截留性能。结果表明,FO水通量与驱动液含量正相关,但由于内部浓差极化的影响并不呈正比例;温度越高所产生的水通量也越大,在温度11～36℃时水通量从4 L/(m2.h)上升至10 L/(m.h)。驱动溶质的反扩散量随运行时间的延长线性增加,由于唐南效应Na+的反扩散量大于2价阳离子。FO膜对奎宁和腐殖酸均有较好的截留效果。     

正渗透膜特征参数测试方法研究进展

纯水渗透系数、溶质渗透系数和结构参数是评价正渗透膜性能的三个关键特征参数,其通常采用实验测试和理论模型相结合的方法测得,但不同方法测得特征参数间的差异会影响其对正渗透膜性能的准确评价和膜结构与性能间关系的建立。针对上述问题,本文在归纳和总结近年来国内外相关研究的基础上,详细分析了正渗透膜特征参数测试方法和理论模型的特点及发展现状,比较了反渗透-正渗透法和正渗透法的优缺点和局限性。基于溶解扩散模型和浓差极化理论所建立的反渗透-正渗透法和正渗透法,其模型简单、便于计算,但其假设具有局限性,影响了方法的实施和结果的准确性。优化理论模型可提高正渗透膜特征参数测定的准确性,但新模型的稳定性和适用范围仍需验证。     

纳米材料用于薄层复合正渗透膜的制备

正渗透是一种以渗透压为驱动力的膜分离技术,它具有低污染、低能耗、在常温常压下运行等优点,因而被广泛地应用于水处理和脱盐。然而,正渗透技术依然存在一些瓶颈,包括浓差极化现象、膜污染、溶质的反向扩散和新的膜材料以及汲取液的设计。纳米材料的快速发展为解决这些问题提供了一种有效的途径,将无机纳米材料作为填料,添加到薄层复合(TFC)膜中能够有效地增正渗透性能。这篇综述概括了纳米无机材料作为填料用于薄层复合正渗透膜的制备。     

海水驱动不同正渗透膜分离性能对比研究

以天然海水作为正渗透汲取液,对比研究CTA-ES和TFC-ES正渗透膜在不同膜朝向和错流速度下的清水通量和截留污染物效果,结果表明,2种正渗透膜在不同膜朝向下通量变化趋势类似;错流速度对活性层朝向汲取液侧运行模式(PRO)运行影响较大,体积流量为2 L/min时,正渗透性能较稳定;相同操作条件下,TFC膜具有较高的纯水渗透性和盐排斥性,最高通量是CTA膜的1.6倍以上,特性反向溶质通量在0.5以下,更适用于脱盐过程;CTA膜的运行稳定性较好,对污染物的截留率在93%以上,截留效能要优于TFC膜。     

正渗透膜分离的研究进展

正渗透是浓度驱动的膜技术,是指水通过选择性渗透膜从高水化学势区域向低水化学势区域的传递过程。本文介绍了正渗透的基本构成（驱动力、汲取液和正渗透膜材料）,指出膜两侧的浓差极化是水通量性能的最大障碍,采用通量模型说明了膜在两种放置方向下存在的内浓差极化和外浓差极化,内浓差极化对驱动力的减小起着重要的作用;论述了膜材料、原料液浓度、汲取液浓度对正渗透和压力延迟渗透水通量的影响;此外,评述了正渗透过程的膜污染和能耗。     

正渗透膜材料的研究进展

正渗透技术因其低能耗、耐污染等优势受到国际和国内众多学者的关注,尤其近几年来,取得了迅速发展。本文对正渗透过程中的影响因素以及浓差极化现象作了简要分析,结果表明,内浓差极化是影响正渗透技术效率低下的重要因素,而制备适当的膜材料是有效改善内浓差极化的关键技术。回顾了正渗透分离技术在国内外的发展历程,通过不懈的探索和研发,先后成功制备得到不同材料和结构的正渗透膜。重点讲述膜材料在正渗透领域所取得的最新研究进展,最后指出众多正渗透膜材料由于条件限制难以推广应用,希望在未来的研究过程中突破这项技术难题,缩短科研理论与实际应用之间的差距,在膜材料的实际应用方面取得创新性成果。     

基于纳米纤维膜支撑层正渗透复合膜制备的研究进展

性能优良的正渗透(FO)膜的制备是FO技术研究与应用的关键问题之一。静电纺丝纳米纤维支撑层因其特有的三维孔道结构、高孔隙率、低曲率因子等优点,能有效缓解内浓差极化,提高FO膜性能,近年来已被广泛用于FO膜的制备。介绍了FO的浓差极化产生原理以及评估FO复合膜性能的膜结构参数,回顾了纳米纤维作为正渗透支撑层的发展历程(单一材料、共混材料、纳米掺杂以及表面改性),展望了静电纺丝支撑层的发展趋势。     

正渗透水处理关键技术研究进展

正渗透相对于外力驱动膜分离技术压力更低、能耗小,对环境的影响也较弱,近年来颇受关注。分析了正、反渗透技术的差异,探究了正渗透技术中膜材料的不同对膜污染与浓差极化现象的影响及不同汲取液的性能,综述了其在海水淡化、废水处理和能源领域的应用。此外,通过对正渗透水处理技术研究现状的说明,明确了该技术主要在膜性能和汲取液方面存在不足,将其进一步研究改进会促进新一代水处理技术的发展和应用。     

正渗透膜研究进展及其在电厂水处理中的应用

介绍了正渗透技术的基本原理,对膜材料性能的研究以及正渗透技术在电厂水处理中的应用现状进行了综述;列举了目前常见的商业正渗透膜;分析了聚酰胺薄膜复合膜的研究进展,包括碳纳米管、石墨烯、有机骨架、纳米银、纳米纤维的改性以及新型膜的制备;简述了国内外电厂的正渗透技术应用案例。正渗透技术在火力发电厂废水处理中的实际应用结果表明了其在盐分复杂的脱硫废水处理中应用的可行性,从处理效果和经济效益来看,正渗透技术在脱硫废水预处理中具有较大优势,是未来很有前景的电厂零排放水处理技术之一。     

正渗透水处理关键技术研究进展

正渗透是一种新型的膜分离技术,其分离的驱动力来源于原料液和汲取液之间自然存在的渗透压差,近年来正渗透技术已在国际上得到广泛关注。简述了基于此技术的正渗透水处理过程的基本原理,指出了这种新型水处理过程的关键技术——正渗透膜和汲取液,根据各自的技术特点对其进行分类概述,并从实验室基础研究和技术的商业化进程两方面介绍了这两项关键技术取得的最新研究进展。从水通量角度对不同体系进行了简单比较,分析了各材料和方法的优缺点,并对它们的应用前景进行了展望。     

渗透汽化膜的制备及其应用进展

渗透汽化（pervaportion, PV）作为一种新颖的分离技术在工业范围内得以应用,至关重要的是它在恒沸混合物、近沸混合物分离方面的显著优势。相比分馏、精馏、萃取等传统分离方法,渗透汽化技术具有经济、高效、便于管理的优点,但目前缺少优质的渗透汽化膜材料和先进的膜制备方法。本文综述了近年来渗透汽化技术以及渗透汽化膜的研究现状,首先介绍了PV技术的分离机理、PV膜的制备方法、PV技术在工业上的应用领域等,并重点讨论了料液温度、料液浓度、料液流速、膜上下游蒸汽压差、膜材料等关键因素对渗透汽化分离性能的影响。文中提出未来渗透汽化技术应在膜材料方面积极探索,选用聚合物为材料,并结合先进的膜制备方法来进一步降低膜的厚度,从而明显地提高膜渗透通量。     

支撑层对硅橡胶复合膜渗透汽化分离性能的影响

引言 为了扩大渗透汽化技术的应用领域,科研工作者需要进一步增强渗透汽化膜的分离性能.从工业化的观点而言,用于实际应用的渗透汽化膜大多是复合膜,它由选择层(或分离层)和支撑层组成.一般认为,选择层决定着复合膜的选择性和通量,支撑层起支撑和机械稳定作用.Nijhuis[1]在从甲苯-水体系中分离甲苯的过程中对均质膜和以聚砜为支撑层的复合膜的分离性能进行了比较;Sturken[2]分别用聚醚酰亚胺和聚偏氟乙烯为支撑层的硅橡胶膜从二氯乙烷-水体系中提取二氯乙烷,他们得到了相同的结论:支撑层的影响可以忽略.然而Scholz[3],Heinzelmann[4],Rautenbach[5],Borges[6],Vankelecom[7],Farooq[8],Lipnizki[9]等均在各自研究中发现,由于基膜和分离层的物理化学性质以及制膜方法等众多因素的存在使得支撑层在一定程度上影响复合膜的分离性能;Feng[10]对均质硅橡胶膜和有微孔支撑层的硅橡胶复合膜的分离性能进行了比较,发现均质硅橡胶膜优先透过异丙醇,而有微孔亲水性支撑层的硅橡胶复合膜则优先透过水,这表明在一定的情况下,支撑层甚至起主导作用并能够决定复合膜的分离性能.因此,通过系统研究以不同多孔材料为支撑层的复合膜对有机物-水溶液的分离性能的影响,能够找到最优的复合膜支撑层,从而能够提高复合膜的分离性能.然而,至今关于支撑层对渗透汽化膜分离性能影响的系统研究仍相当少.     

高性能PAN-MWCNTs/PEI复合正渗透膜的制备

本研究设计并制备了一种新型复合正渗透膜，在致密聚酰胺层(PA)和静电纺丝聚丙烯腈(PAN)多孔支撑层之间敷设酸化多壁碳纳米管与聚乙烯亚胺(MWCNTs-PEI)交联的中间层。中间层的存在缩小了支撑层的孔径，为PA层的生长提供了更好的平台，有助于抑制汲取溶质的反向扩散。PEI的加入不仅可以将MWCNTs牢固地结合在支撑层上提高中间层稳定性，而且可以与TMC部分结合使得PA层更加稳定。结果表明，当中间层负载量为0.849 g/m，纯水为原料液，1 mol/L NaCl为汲取液时，FO和PRO模式下水通量分别为36.23±1.81、42.06±2.10 L/(m²·h)，反向盐扩散通量分别为11.66±0.58、12.20±0.43 g/(m²·h)。良好的整体性能表明，酸化多壁碳纳米管与聚乙烯亚胺交联形成的稳定中间层为研究和制备高性能正渗透膜提供了一条可行的途径。