正渗透-前沿脱盐技术研究概况(3)
正渗透（FO）的原理是利用膜两侧的渗透压差，使待处理液中的水分子通过半透膜进入汲取液，最后将溶质从稀释的汲取液中分离出来，得到最终产水。虽然有研究称FO工艺膜部分的能耗小于0.25kWh/m3，但是在考虑汲取液分离回收部分的能耗后，FO工艺的单位能耗类似于反渗透RO工艺（约3.5 kWh/m3）。与RO工艺相比， FO工艺没有液压驱动，其膜污染较小，这是FO工艺的明显优势。
自1930年，正渗透（Forward Osmosis, FO）作为一种实用的工艺已经在脱盐中得到了广泛的研究。与传统的RO脱盐工艺使用压力驱动不同，FO工艺利用高浓度的汲取液，与待处理液之间形成渗透压，使待处理液中的水分子通过半透膜进入汲取液，最后将溶质从稀释的汲取液中分离出来，得到最终产水。
氨气和二氧化碳的混合物经常被用于制作碳酸氢铵汲取液。当氨和二氧化碳以适当的比例混合时，就可以形成高渗透压的浓溶液，用于从盐水进水中“吸取”淡水。这种汲取液的优势在其在加热后溶质易于分离并且能够在FO工艺中循环使用。因此，FO工艺可以被认为是膜法和热法的结合。
尽管有很多种渗透剂可供使用，但是无论何种都必须确保汲取液无毒、稳定、pH接近中性、溶解性高可以避免沉淀、以及能够利用现有技术较低成本地分离淡水。挥发性溶质如KNO3、SO2或NH3/CO2混合物是可行的渗透剂，因为其温度-溶解度关系使它们能够通过热分离的方式从汲取液中分离出来以及循环利用。磁性铁蛋白 (Magnetoferritin) 也是一个可行的可重复利用的渗透剂，这种材料在磁场作用下很容易从汲取液中分离出来。然而，尽管重复使用这些渗透剂可减少浪费，从汲取液中分离这些试剂仍然是FO工艺的主要能耗来源。
为进一步降低能耗，人们开始研发一些不需要分离处理的汲取液。当以化肥（例如KCl、NaNO3、Ca(NO3)2等）用作渗透剂时，FO工艺处理后产生的稀释汲取液可以作为肥料施用于农作物，这种方法能高效低成本地为农作物提供水分和养分。另外一个类似的应用是，糖（葡萄糖、果糖、蔗糖）和部分脱水的食品被用作渗透剂，汲取液在这种情况下变成了营养液，从而不需要进行额外处理。此外，还有人曾研究能用机械方式分离的可切换极性溶剂。研究人员利用二氧化碳、水和叔胺的混合溶液作为FO工艺的汲取液，在大气压下利用废弃的二氧化碳来转变可切换极性溶剂的属性；一旦汲取液被稀释，可切换极性溶剂就可以通过简单的低压过滤技术得到分离。在这种方法中，1个大气压下的二氧化碳以及温和加热将使切换极性溶剂由极性转为非极性。据报道，使用可切换极性溶剂汲取液的能耗比NH3/CO2汲取液要低35-48%。但是，可切换极性溶剂汲取液大规模应用之前，还需要进一步研究膜材料的兼容性，因为三醋酸纤维素等材料的膜（CTA）在可切换极性溶剂汲取液中会遭到损坏。
在一些FO工艺中，盐水是作为汲取液而不是待处理液，其中最为常见的是将FO应用到RO的预处理当中。在这种情况下，海水作为汲取液，淡水（或渗透压较低的溶液）作为进水溶液可将海水稀释至更有利于RO工艺的浓度。这种预处理过程大大降低了RO海水淡化所需的能量。以类似的方式，使用海水对海藻/营养液脱水以获得藻类生物燃料的创新工艺已在研究当中。
除了选择最佳的渗透剂，膜的类型和结构也会影响FO性能。由于内部和外部的浓差极化（ICP/EXP）可以显著影响性能，理想的FO膜应该具有高密度的活性层，以达到高除盐率。带有微孔的薄支撑层将限制ICP和亲水性，从而使得通量最大化，污染最小化，如嵌入聚酯网的三醋酸纤维素（CTA）、芳香聚酰胺聚合物的RO膜。为了提高FO工艺的表现，膜配置了中空纤维膜和平板膜。研究人员用聚酯（酰胺酰亚胺）材料制造了中空纤维膜并创建了一种具备内层和外层的双层纤维膜，分别类似于RO膜和NF膜。使用2.0 mol/L的氯化钠溶液作为汲取液，使内部浓差极化最小化，中空纤维膜的通量达到41.3 L/m2.h。另有研究人员通过相转化用聚酰胺酰亚胺制造了平板FO膜，再利用高分子聚乙烯亚胺，形成类似纳滤膜的带正电截留层。这种平板膜的水通量为29.7 L/m2.h。据报道，当阻挡层朝向汲取液时，水通量能达到54 L/m2.h。中空纤维和平板FO膜不仅实现了高水通量，也具备优越的除盐性能。
FO工艺整体的单位能耗仅仅约为多效蒸发工艺所需热能的25%-45%。相比多效蒸发工艺，FO工艺可以使用低至40℃和高至200℃-250℃的热能，可利用的热量温度范围更广。虽然有研究称FO工艺膜部分的能耗小于0.25kWh/m3，但是在考虑汲取液分离回收部分的能耗后，FO工艺的单位能耗类似于RO工艺（约3.5 kWh/m3）。
有研究人员将FO与RO相结合形成了一种能降低能耗的混合工艺。在这一创新中，将再生水（三级处理出水）通过一个FO系统，以海水作为汲取液。海水被FO处理过程中被再生水稀释，被稀释的海水之后通过RO系统，以稀释海水作为RO进水降低了海水淡化处理所需的操作压力，能耗也随之减少了。经RO系统浓缩的浓水通过第二阶段的FO工艺进一步处理，最终被排入大海。通过使用FO-RO组合工艺，海水淡化可在较低的能耗下运行，并且通过两个物理截留（FO和RO），再生水也同时得到了处理。
有研究人员以二级出水作为进水，红海海水作为汲取液，应用这种FO-RO组合工艺对红海海水进行淡化。结果表明，在淡化等量的海水情况下，该系统的能耗约为1.5 kWh/m3仅为高压SWRO系统的50%。尽管FO-RO组合工艺的能耗较低，但是成本分析表明，与传统的RO工艺相比，FO-RO组合工艺要求的最小平均通量是10.5 L/m2.h。
在另一项研究中，研究人员使用了FO-RO组合工艺来生产低硼农用水，其单位能耗为2.93kWh/m3，产水率为50%；而在相同的条件下，两段式RO系统所需的能量为3.79kWh/m3。然而，由于FO膜的操作通量较低，将FO和RO进行组合将大大增加所需的膜面积。例如，当产水率为50%时，FO-RO组合工艺的膜面积为972,000 m2，而两段式RO工艺仅需74,000 m2。
另有研究人员对比了两段式RO系统和SWRO的具体能耗。对于总溶解性固体（TDS）为35000 mg/L、水回收率为50%的海水淡化，包括超滤预处理的两段式RO系统的能耗为3.0 kWh/m3，而FO工艺的能耗计算结果是3.58 kWh/m3，其中汲取液的稀释和溶质回收过程的能耗分别为0.10 kWh/m3和3.48kWh/m3。因此，如果想要对RO工艺形成更大优势，FO工艺还需要在汲取液溶质回收过程的能耗方面进一步优化。但是，与RO工艺相比，FO工艺没有液压驱动，其膜污染较小，这是FO工艺的明显优势。FO工艺也适合一些特殊的应用情况，比如需要处理的盐水含盐量较高，以致于不能使用RO工艺处理时。
未完待续
摘译自 Emerging desalination technologies for water treatment: A critical review。原文发表于国际水协会期刊 Water Research。Arun Subramani and Joseph G. Jacangelo, Emerging desalination technologies for water treatment: A critical review, Water Research 75 (2015 ) 164-187