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正向渗透实验设备

        正向渗透又称渗透,是指水或其它溶剂透过天然或人造的半透膜,由低溶质浓度侧传递到高溶质浓度侧的过程,是自然界中广泛存在的一种物理现象。

        正向渗透技术(Forward osmosis, FO)是近年来发展起来的一种浓度驱动的新型膜分离技术,它是依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程,是目前世界膜分离领域研究的热点之一。

                   

       正向渗透过程无需外加压力,通过具有高渗透压的汲取液,可以透过半渗透膜将水分子自发的由低渗透压的原水侧汲取出来,而且将原水中的其他溶质截留,然后再采用其他工艺将水从被稀释的汲取液中分离出来,最终获得纯净的水,汲取液可以循环利用。驱动水分子由低浓度侧向高浓度侧流动的动力是半渗透膜两侧的渗透压差值。
 
      正向渗透膜通常由活化层和支撑层组成,当原水流过活化层一侧,渗透压远高于原水的汲取液同时流过正向渗透膜的支撑层一侧,水分子自发的由原水侧向汲取液侧不断流动,由于正向渗透膜对原水中的盐分和其他污染物具有截留作用,因此原水中的溶质被浓缩,同时汲取液则被透过正向渗透膜的水分子稀释。


       
       汲取液对于正向渗透应用极为关键,直接影响着水处理效率,及汲取液再生过程的能量消耗。好的汲取液应具有以下几个特点: 能产生较高的渗透压驱动力、具有较低的粘度、具有极低的反向透过正向渗透膜的速度、较高的扩散系数、无毒、物理化学性质稳定、不与膜发生化学反应、不改变膜材料的性能和结构、能够通过简单经济的方法与水分离、能够重复使用。
 
 目前的汲取液主要可以分为五类(如图),



针对不同的渗透压,汲取液再生过程可以辅以不同的技术, 包括反渗透,膜蒸馏,电渗析等等。
 
正向渗透技术的优点非常明显
 
(1)可低压甚至无压操作,因而能耗较低;
 
(2)对许多污染物几乎可完全截留,分离效果好;
 
(3)抗污染能力强,而且由于低压操作,即使形成了污染层也会比较疏松,非常容易清洗,对比反渗透工艺,可以大大降低对于进水水质的要求,从而能够处理一些反渗透无法处理的高污染类废水,或者大大减少预处理工艺,做到工艺的集成整合。
 
(4)正向渗透采用特殊的溶质配制汲取驱动液,可以通过配制高浓度的汲取液,从而得到更高的渗透驱动压力,以实现传统反渗透无法应用的高压运行效果,达到更高的水回收率;
 
正向渗透的缺点也同样非常明显:
 
(1) 单独FO过程不能取得纯水,只能实现低渗透压原液的浓缩和高渗透压汲取液的稀释。而且当预处理能耗不高的情况下,FO+RO的能耗会比RO系统能耗更高。
 
(2) 目前汲取液及其回用技术选择有限,主要为NH3-CO2体系和NaCl体系。
 
(3) 在选用NaCl等盐类做汲取液时,回用方式一般为反渗透。由于汲取液一侧的渗透压需要高于原液的渗透压,通常汲取液的回用过程需要更高的驱动压力。
 
综合考虑FO技术的优缺点,正向渗透技术的应用可包括三类:
 
a. 针对于高难(高污染)废水,利用正向渗透过程中原液浓缩的相关应用,如垃圾渗滤液浓缩,各类污水浓缩、厌氧消化液浓缩及高盐度废水浓缩(如反渗透浓水、煤化工盐水等);
 
b. 利用正向渗透过程中汲取液被稀释的相关应用。如使用肥料汲取液稀释后用于农业当中;渗透稀释海水用于海水淡化;使用糖浆汲取液,用于军队、远征探险过程中直接处理雨水、污水为可饮用的高能量水;
 
c, 在热敏(如食品饮料行业)物质浓缩、贵重物资回收和(痕量)污染物去除领域中的相关应用。
 
       简单来说,当所选应用符合以下几个条件之一的时候,正向渗透技术可能会很好地发挥其优势。一,所处理水质具有高度污染倾向;二,需要更高的截留率;三,需要更高倍数的浓缩;四,需要超低压甚至无压运行;五,需要低温浓缩;六,同时具备需要浓缩的原液及需要稀释的汲取液。
 
       正向渗透应用场景中最能够发挥其优势的一类应用是独立正向渗透过程,不需要辅以汲取液再生,该过程充分利用渗透压驱动,以最低的能耗完成对高渗透压流体的稀释或低渗透压流体的浓缩。目前该类应用场景包括:户外应急正向渗透应急净水包; 用化肥浓缩液作为汲取液回用工业或生活废水; 利用海水或海淡过程的浓盐水作为汲取液对石化生产废水等进行浓缩减排; 利用海水与淡水(如河水或生活/工业污水)通过PRO(压力阻滞渗透)过程发电等。
 
       此外在传统生产制造过程中存在大量的浓缩及稀释过程可以通过FO技术进行工艺升级,进一步简化过程并降低能耗。其它应用则需要正向渗透与汲取液回用技术结合。此时汲取液的选择非常重要,需要考虑到汲取液的反向渗透,回收技术,渗透压差,稳定性,溶质扩散性,粘度等因素。其中汲取液的反向渗透太高,会直接影响产水水质与汲取液的补加成本。目前正向渗透技术研究在海水淡化与垃圾渗滤液处理上取得了不少积极的成果,未来应用前景逐渐明朗。
 
应急净水包
 
       应急净水包是利用正向渗透膜技术针对极端恶劣条件开发的民、军用产品,目前已经装备于美国海军陆战队等。在使用时净水包内的营养液(包括糖份,矿物质,无机盐等)会从周围受损水体或海水中吸取纯水,得到可以直接引用的水体。该发明为驴友户外探索和战斗部队作训等提供了良好的饮水保障。
 


肥料灌溉正向渗透应用
 
        农业用水是目前世界上淡水资源消耗的主要领域之一,FO技术完美的发挥了正向渗透的特点,选择生活污水或工业污水为原液,高浓度的肥料母液为汲取液,稀释后的汲取液(不需要再生)用于灌溉,所以整体工艺合理,将原来的先过滤再使用的两步过程简化为一步完成,以更低的能耗实现污水的过滤回用。



垃圾渗滤液处理
 
       垃圾渗滤液水质复杂, COD普遍很高,有很强的污染倾向,传统处理方式为调节池+生化+NF+RO等工艺,投资成本和远营成本均很高。正向渗透技术可以在该领域很好的发挥抗污染的优势,处理效果显著,简化处理工艺,实现更高的回收率,运行稳定,管理方便,工艺简单,建设及运行费用低,无废气。


                                                            垃圾渗滤液(高难废水)正向渗透工艺过程
 
        目前越来越多的公司和高校已经开始投入正向渗透技术的应用开发。其中耦合FO技术海水淡化,垃圾渗滤液处理等发展较快,随着正向渗透技术在各不同应用中的工艺路线逐渐成熟,相信在不远的未来,正向渗透技术将在更多的领域真正帮助降低水处理成本,提升水资源的使用效率,并实现大范围的商业化应用。

 
                                                                        正向渗透组件


                                                                                     正向渗透小试装置
 

                                                            正向渗透中试装置
 

 
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