1. 引言
21世纪最重大的挑战之一就是寻找有效方法解决人类用水问题。为了满足用水需求, 研究人员不断探索低成本的水处理技术。正渗透 (FO) , 作为一种新兴的绿色膜分离技术, 具有能耗低、膜污染小、膜污染可逆、出水水质高的优势。因此, 国内外学者对FO工艺进行了大量研究。
FO过程中, 低渗透压侧的水可穿过正渗透膜自发地扩散到高渗透压侧的溶液。其中, 高渗透压侧溶液为汲取液, 是FO工艺不可缺少的部分, 影响着FO工艺性能和效率。这是因为汲取液为FO工艺提供驱动力, 驱动力越大, 产生的水通量越大, 能够保证FO过程的顺利进行。因此, 开发出合适的汲取液是FO技术突破的关键。
研究表明, 理理想的汲取液在FO工艺中应产生较高的水通量, 同时具有较低的反向渗透性, 易于回收利用等特性。然而, 目前的汲取液鲜有同时具备这些特性, 这限制了FO的发展。为此, 本文对FO过程中各种汲取液的研究进行了调研, 从汲取液特性方面, 对比和评述了各种汲取液的优劣性, 从而为FO工艺寻找到合适的汲取液提供指导, 发挥出FO的重大潜力。
2. 汲取液的特性
不同汲取液有不同的固有特性。从理想汲取液特性进行分析, 可以通过汲取液特性如水通量、反向渗透性和回收再生等来评价各种汲取液。下文将对不同种类汲取液特性评估进行介绍。
2.1 水通量
水通量是指单位膜面积单位时间所透过的水量。高水通量意味着高回收效率, 是正渗透性能重要组成方面。汲取液本身的性质是影响水通量高低的重要因素。不同的汲取液在相同的操作条件下水通量存在很大的差异。
无机盐产生的水通量一般较高, 主要由于无机盐易溶于水, 分子量都很小, 易获得较高浓度的汲取液。Heo等利用CTA膜研究无机盐Na Cl、KCl、Na2SO4和Ca Cl2时发现, FO模式下, 相同操作条件下无机盐浓度均为1M时产生的平均水通量分别高达8.43、9.10、9.89、7.11LMH。
一些水溶性有机分子能产生较高的水通量, 是由于高溶解度有机物易电离, 在水中产生较多的离子。Kumar等利用聚异丁烯马来酸酐 (PIAM) 碱水解制备的聚异丁烯丁二烯酸钠 (PIAM-Na) 作为汲取液, 研究发现水通量高达38LMH。Cui等利用羧酸型聚电解质作为汲取液, 其浓度为0.18 g/m L时, PRO模式产生的初始水通量高达11.77 LMH, FO模式产生初始水通量为6.68 LMH。
挥发性气体能产生较高的水通量, 是理想汲取液之一。Mc Cutcheon等利用NH3和CO2制成的6M NH4HCO3作为汲取液, 0.5MNa Cl溶液作为原料液, 进出液温度均为50℃, 采用CTA膜, 产生的水通量高达12.5 LMH。
水溶性、颗粒大小是影响水通量大小的关键因素, 高水溶性磁性纳米颗粒能够产生较高的水通量。Ge等开发出柠檬酸、草酸和EDTA涂覆的MNPs, 浓度为0.8g/ml, 运用TFC膜, FO模式下分别产生大约8、10和28LMH的水通量, 在PRO模式分别产生大约18、22和29LMH的水通量。另有Dey等用聚丙烯酸钠修饰的的MNPs并将其用作汲取液, 产生的平均水通量高达5.3229 LMH。
水凝胶是具有三围网状结构的亲水性聚合物, 能产生较高的水通量。骆等在Fe3O4纳米磁流体存在的情况下将强离子型单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠 (AMPS) 与温敏单体N-异丙基丙烯酰胺 (NIPAM) 共聚, 制备了磁性水凝胶, 将其作为汲取液, 在0.5h内平均水通量范围为2.22-2.25 L MH。
2.2 反向渗透性
汲取质反向渗透是指汲取质会透过半透膜进入原料液的过程。汲取质反向渗透普遍存在于正渗透过程中, 正渗透过程中研究的重要方向。其中, 反向渗透性越低, 原料液引入的杂质越少, 对后续处理原料液的效果越好。而汲取液的种类是影响反向渗透性的关键因素。
无机盐的分子量小, 很容易透过半透膜, 汲取质反向渗透性较高。Heo等采用CTA膜研究无机盐Na Cl、KCl作为汲取液时时发现, FO模式下, 相同操作条件下无机盐均为1M时产生的反向渗透通量分别高达6.5、10.5 g MH。
与较低分子量的简单无机盐相比, 有机汲取液溶质分子量相对较高, 大大减小了反向渗透。Kumar等将聚异丁烯丁二烯酸钠 (PIAM-Na) 作为汲取液, 研究发现浓度为0.4g/L, 温度为25℃, 其反向渗透通量约为0.2 g MH。另有Ge等以聚丙烯酸钠为汲取液, 反向渗透通量仅为0.17 g MH。
磁性纳米粒子 (MNPs) 相较于传统无机盐的粒径较大, 因此其反向渗透相对较少。Ge等开发出柠檬酸、草酸和EDTA涂覆的MNPs, 结果表明MNPs的反向渗透通量低至0.1 g MH。
由于水凝胶是一种新型半固体汲取液, 不溶于水, 理论上具有零反向扩散的优点。骆华勇等利用水凝胶作为汲取液, 研究发现9h反向渗透扩散量低至0.07g/m2。
2.3 汲取液回收再生
汲取溶质的回收是正渗透商业发展的主要挑战之一。目前回收策略主要包括热分离法、膜分离法、磁分离法。
(1) 热分离法
热分离法主要包括加热和蒸馏。挥发性或低沸点化合物在加热和蒸馏时分离, 汲取液溶于水再生。Mc Cutcheon等研究发现用NH3和CO2制成的NH4HCO3汲取液, 在加热 (60℃) 时会分离为NH3和CO2。为了选择合适的汲取液, 在热分离回收再生过程中, 能量消耗、毒性、腐蚀性和溶解度等因素都应予以考虑。
(2) 膜分离法
常见的膜分离法主要包括反渗透、纳滤、超滤、膜蒸馏和电渗析等。其中, 反渗透广泛用于正渗透汲取液的回收再生。彭等人利用纳滤的方法回收废水中的Na2SO4和Na Cl。李等利用膜蒸馏法对稀释后的模拟海水进行浓缩分离, 提高FO工艺的产水率。
(3) 磁分离法
超顺磁纳米粒子会对外部施加的磁场作出响应, 可以通过外加磁场对磁性纳米粒子进行分离。Ge等开发出柠檬酸、草酸和EDTA涂覆的MNPs, 并将其作为汲取液, 通过磁分离实现回收。
(4) 其他分离方法
特定敏感性材料具有刺激敏感特性, 对外界的刺激如温度、PH、光、电场和磁场等。如刺激响应性聚合物水凝胶其物理和化学性质随外部环境刺激如温度, 光, p H, 离子强度, 电场或特定化学品的存在而变化。具有温度依赖性相分离行为的热敏材料制备成汲取液, 其受到越来越多的关注。
3 结语
综上所述, 探索新型和高效能汲取液的努力已经取得了丰硕的成果, 特别是在实现增强正渗透整体性能即提高水通量、降低反向盐通量和汲取液的回收再生方面。不同的汲取液在汲取液特性方面展现了其水通量、反向渗透性、回收再生的优势和潜力。开发出合适的汲取液同时具备这些特性是实现可持续正渗透应用重点和难点。因此, 我们分析了不同汲取液的特性, 对比和评述了不同汲取液的优劣性, 最终目标是为未来开发新的和更好的汲取液提供指导。我们预计在不久的将来, 新的汲取液将进一步推动加速FO相关技术的发展和应用。
摘要：汲取液是FO工艺不可缺少的部分, 为FO工艺提供驱动力, 影响着正渗透的性能和效率。研发出合适的汲取液是FO工艺发展的重点和难点。而理想的汲取液在FO工艺中应产生较高的水通量, 同时具有较低的反向渗透性, 易于回收利用等特性。目前鲜有同时具备这些特性的汲取液。本文从汲取液特性方面, 对比和评述了各种汲取液的优劣性, 为将来开发新型与高效能的汲取液提供指导推动FO的发展。
关键词：正渗透,汲取液,水通量,反向渗透,回收
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