水处理领域中正渗透膜材料研究浅析
摘要: 近年来,虽然我国经济发展速度加快,人们的生活水平不断提高,但是生态环境逐渐恶化,这一问题引起了人们的广泛关注,尤其是水资源的缺乏,会直接影响到人们的正常生活,所以备受关注。为了使人们的用水安全有保障,充分的利用各种水资源,需要使用先进的技术,做好水的处理工作, 其中,膜技术在水处理领域中的应用,取得了一定的成果,比如,压力驱动分离技术,但是这种技术的缺点在于,能耗高,而且污染严重,工作效率不高。而正渗透膜技术,能耗较低,污染程度低,适合在水处理领域进行应用。

在众多膜分离技术中,正渗透技术,是一种新型技术,而且有良好的发展潜力,其优势在于,能耗低、污染低,因此,具有广泛的应用范围。但是,该项技术的发展中,存在的问题之一,就是缺少性能良好的正渗透膜。因此,研究人员对正渗透膜材料,进行了深入的研究,不断优化膜结构,寻找新型膜材料,而且取得了一定的成绩。其中,常见的的正渗透膜材料,比如,醋酸纤维素,虽然应用范围广泛,但是其缺点比较明显:容易水解,而且耐酸碱性差。所以,要开发新型的正渗透膜材料,从而提升正渗透技术的发展水平。

一、正渗透膜材料的研究

正渗透技术的优点包括:产生的能耗低,污染低,所以,在工业领域应用广泛。但是,内浓差极化,会降低正渗透技术的效率,而且而且实际的水通量较小,达不到预期的效果。所以,要对膜结构进行优化,并对膜性能进行提高。通过研究发现,通过优化膜的支撑层、分离层,可以提高膜的性能。一方面,膜支撑层的优化,可以通过对其亲水性进行提高,以及对其厚度进行降低,同时对其孔结构进行改善来实现。另一方面,可以通过纳米粒子的添加,双刀片共铸、以及双皮层制膜工艺等,对分离层结构进行优化,另外,还可以开发新型侧正渗透膜,提高正渗透膜的性能。但是,大部分性能良好的正渗透膜,处于研发阶段,未进行商品化生产。通过试验,在正渗透膜制备过程中,使用成熟的 RO 和 NF 技术,能够提高正渗透膜的性能。除此之外,在对正渗透膜进行制备的过程中,需要对其各方面参数进行综合的考虑,不仅要提高水通量,其盐截流量也要保持稳定;与此同时,还需要考虑其抗污染力、后期的清洗等。所以,未来的研究重点主要是,寻找合适的正渗透膜材料,对稳定性高的膜材料进行开发,而且正渗透膜材料需要具备抗污染能力强,通水量高的优点。除此之外,要将正渗透膜技术与其他技术结合起来,实现规模化生产。因此,提高正渗透膜的性能,有利于扩大其应用范围,实现更好的发展。

二、正渗透膜技术在水处理领域中的应用

2.1海水淡化领域

早在20世纪60年代初,就有人提出在海水淡化领域,使用正渗透膜技术,但是因为当时制膜技术不高,以及其他方面的原因,所以,也只是停留在试验阶段,无法付诸行动。近年来,随着科学技术的发展,这些问题已经被解决。通过对正渗透膜技术在海水脱盐方面的研究,开发了新型的海水脱盐系统。这种系统分为两部分,分别是前段与后段,正渗透段属于前段,此阶段,主要是分离海水中的淡水,将其拉到低化学势侧。其中,混合铵盐溶液,是新型海水脱盐系统的驱动液,该溶液渗透压较高,与水分离比较方便。经研究发现,当驱动液的浓度在 6 mol/L 时,其渗透压将达到 249.5atm,能将新型海水脱盐系统的脱盐率提高到95%,这种方法的优势在于,耗能低,而且具有良好的脱盐效果。驱动液的回收,属于新型脱盐系统的后段,只需要将稀释后的驱动液,加热到60摄氏度,就可以将铵盐分解,通过蒸馏,可以将水分离,从而得到纯净水,对于二氧化碳与水,则可以进行二次利用。通过模拟实验得知,驱动液浓度为1.5 mol/L时,可以节省85%的能量,电能的消耗比之前的脱盐技术要低很多。因此在海水淡化领域,使用正渗透技术,具有良好的应用效果。

2.2 污水处理领域 ̈

工业废水领域,是最早使用正渗透技术进行污水处理的领域。在70年代,有研究人员,使用RO膜替代正渗透膜,对工业废水中的重金属进行浓缩。虽然,这种处理方法,效率比较低,而且未得到大范围的应用,但是奠定了使用正渗透膜技术处理污水的基础。90年代,有公司,开发出新的正渗透膜,其材质为三醋酸纤维素,通过这种材质渗透膜的研发,促进了正渗透膜技术的发展。有研究人员,使用三醋酸纤维素膜对垃圾渗透液进行处理,通过试验发现,其产水率能够达到90%,还能够去除99%的有毒有害物质,能够达到国家的排污标准。还有研究人员,提出对污泥进行浓缩的过程中,可以分为连个阶段进行。其中,汲取液可以使用海水,第一阶段,直接对活性污泥进行浓缩,完成初步脱水工作。污泥脱水后,需要消化干化,第二阶段,对其消化液进行二次浓缩。这一工艺,不需要使用二沉池,有较好的浓缩效果,但是,只能在海岸边进行使用。除此之外,使用正渗透膜,代替超滤膜,可以开发出新的污水处理膜。新型污水处理膜的优势有,膜污染程度低,不需要外压进行驱动,而且耗能较低。但是,其汲取液中,盐度的积累,会对生物活性产生影响,去除小分子有机物的效果不佳。正渗透膜技术,除了被单独使用在污水处理领域,还会结合其他工艺,在污水处理领域进行应用。另外,正渗透技术与RO 系统结合,能够形成新的海水淡化 - 污水处理技术。

结语:综上所述,正渗透膜技术,有诸多优点,因此,该项技术被应用在多个领域。比如,海水淡化领域、污水处理领域,但是,该项技术仍然存在一些问题。比如,有较为严重的浓差极化,而且渗透率低等。在实际情况中,大部分正渗透膜技术,仅限于实验室使用,由于各种原因,难以推广使用。对于膜材料来说,关键是膜厚度、材料的性质,会影响其透水通量。所以,应当对新材料进行开发,对正渗透膜的厚度,以及内部结构进行改善,提高其亲水性能,减少浓差极化的影响。 

参考文献:

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[2]龙中亮,Huu Hao NGO,张新波,刘颖,王慧中,温海涛.正渗透技术应用于污废水处理的研究进展[J].膜科学与技术,2022,42(01):192-200.DOI:10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2022.01.024.