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1、正渗透膜简介,正渗透的原理,正渗透过程(Forward Osmosis,简称FO)是以选择性分离膜两侧的渗透压差为驱动力,溶液中的水分子从高水化学势区(原料液侧)通过选择性分离膜向低水化学势区(汲取液侧)传递,而溶质分子或离子被阻挡的一种膜分离过程,正渗透过程是通过跨膜渗透压差,而不是通过外加压力(如反渗透膜过程),作为驱动力使水通过分离膜,最终会导致原料液的浓缩和汲取液的稀释,浓缩的原料液可以作为下一次正渗透过程的汲取液循环利用,而稀释的汲取液可以借助化学沉降冷却沉降、热分解、热挥发等标准方法从汲取液中获取产品纯水,并使汲取液得到浓缩。,正渗透的原理,外浓差极化,伴随着渗透过程的进行,原料液
2、侧膜表面处有溶质的积累,导致膜表面渗透压升高,从而使得有效渗透驱动力降低,称为浓缩的浓差极化;同时汲取液侧膜表面处溶液被渗透过来的水稀释,水化学势却显著增大,这种现象称为稀释的浓差极化,这两种极化现象都会导致膜两侧主体溶液的渗透压差要远低于膜活性层两侧的渗透压差,即:正向渗透的传质推动力减小了,也就是说,正渗透过程也同样存在浓差极化现象。FO膜两侧的外部浓差极化都会导致有效渗透压的降低,但可以通过提高膜面的流速和扰动来消除外部浓差极化的影响。研究表明,由于FO过程中基本不使用外压,其外部浓差极化影响要远小于 RO,不是造成 FO 膜通量远低于预期值的主要原因。,内浓差极化,当所用的正渗透膜是对
3、称的膜,且在不考虑外浓差极化现象的时候,渗透压差的梯度递减过程如图(a)所示,内浓差极化,当多孔支撑层朝向原料液侧时,溶质会在紧靠致密层的支撑层孔内部得到积累,如图(b)所示,这称为浓缩的内浓差极化,不能通过错流的方式消除,内浓差极化,当多孔支撑层朝向汲取液时,膜孔内的浓差极化则应称为稀释的内浓差极化,如图(c)所示一般的在水纯化和脱盐的应用中,正向渗透膜的朝向多选择后一种形式,正渗透的影响因素,温度的影响 温度对反渗透的影响主要在于温度升高会降低水的粘度,从而提高扩散系数,最终使得水通量增大表明温度升高,会降低内浓差极化,提高水通量,但并不是越高越好,为水通量增大到一定程度后会加重内浓差极化
4、。膜方位的影响 膜的方位不同,会产生两种不同的浓差极化现象,有研究表明这两种极化现象对水通量的影响差别很大,因此要根据具体应用选择合适的膜朝向,一般的在水纯化与脱盐的应用中,正渗透膜的朝向多为活性分离层面向原料液。,正渗透的影响因素,流速的影响 外浓差极化却可以通过增大流速,增加漩涡来消除,因此在运行时要采用错流的方式,提高流速,减小边界层的厚度,以削弱外浓差极化的影响。原料液和汲取液的浓度的影响 当原料液的浓度一定时,汲取液浓度增大,会使得渗透压差加大,从而提高水通量,但当浓度增大到一定值时,水通量会下降,这是因为浓度很高时,浓差极化会加剧。,应用海水淡化(中试),进料溶液0.5mol/LN
5、aCl,驱动溶液为6mol/L铵盐,膜两侧的渗透压差高达 22.5MPa膜通量 25 L/(m2h)盐的截留率大于95%通过适度加热(约 60),将铵盐分解成氨和 CO2并循环使用,剩余的液体就是稀盐水。该稀盐水蒸馏或膜蒸馏即可获得纯净水。节能,应用废水与垃圾渗滤液的处理(中试),垃圾渗滤液的处理,TDS达到100mg/L一下,也可用于污泥浓缩,总磷去除完全,氨氮总凯氏氮去除90%膜通量 25 L/(m2h)抗污能力很强,通过测定盐度确定受污染程度,应用减压渗透发电(构想),首先,淡水过滤后进入压力阻尼渗透模块,透过膜扩散进入高压的海水侧,海水被稀释后压强增大,然后稀释后的海水分成二股,一股海
6、水在管道内减压用来发电,另一股通过压力交换器给进入装置的海水增压压力阻尼渗透发电系统的关键是压力交换器和膜件,应用减压渗透发电(构想),在较低温度下,通过循环利用 NH3-CO2驱动溶液,将渗透能产生的高水压转化为电能,能够将低价值的废热源或环境友好的低温热源(地热、太阳能等)转化成电能。目前渗透热泵的转化效率为 5%10%,还需要进一步分析和优化膜的能量密度、热交换面积以及热源的质量、数量和最终的能量输出的关系。,其他应用,航天工业中的运用 正渗透技术是美国航空航天局太空水回用系统候选技术之一。人类长期的太空任务需要一个可靠、耐用、轻便且能耗低的废水处理系统。正渗透水袋浓盐水再浓缩 此外正渗
7、透过程具有抗污染、较高的水回收率的特点，通过选择合适的驱动溶液，可进行浓盐水的再浓缩，甚至使盐析出，减少排放。理想的正渗透脱盐过程目标是实现零液体排放，这点对于在内陆地区建设脱盐工程尤为重要。食品和医药方面的运用 正渗透技术的另一个特点是操作低温低压。结合上面的低能耗、低污染特点，其已经广泛运用到了液体食品的浓缩，有利于食品的包装、运输和储存，还可降低水的活度，提高产品的稳定性。,膜材料的要求和发展趋势,(1)具有致密的皮层，对溶质有高截留率；(2)膜的皮层具有较好的亲水性，实现较高的水通量和水回收率，同时又能降低膜污染趋势；(3)膜的支撑层尽量薄，并且孔隙率尽量大，以便能减小内浓差极化；(4)具有较高的机械强度，实现较高的膜强度，增加膜寿命；(5)具有一定的耐酸、碱、盐等腐蚀的能力以便能够在较宽的 pH 值范围以及各种不同组成的溶液条件下正常运行。,Thank you,
