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          正向滲透實驗設備

                  正向滲透又稱滲透,是指水或其它溶劑透過天然或人造的半透膜,由低溶質濃度側傳遞到高溶質濃度側的過程,是自然界中廣泛存在的一種物理現象。

                  正向滲透技術(Forward osmosis, FO)是近年來發展起來的一種濃度驅動的新型膜分離技術,它是依靠選擇性滲透膜兩側的滲透壓差為驅動力自發實現水傳遞的膜分離過程,是目前世界膜分離領域研究的熱點之一。

                             

                 正向滲透過程無需外加壓力,通過具有高滲透壓的汲取液,可以透過半滲透膜將水分子自發的由低滲透壓的原水側汲取出來,而且將原水中的其他溶質截留,然后再采用其他工藝將水從被稀釋的汲取液中分離出來,最終獲得純凈的水,汲取液可以循環利用。驅動水分子由低濃度側向高濃度側流動的動力是半滲透膜兩側的滲透壓差值。
           
                正向滲透膜通常由活化層和支撐層組成,當原水流過活化層一側,滲透壓遠高于原水的汲取液同時流過正向滲透膜的支撐層一側,水分子自發的由原水側向汲取液側不斷流動,由于正向滲透膜對原水中的鹽分和其他污染物具有截留作用,因此原水中的溶質被濃縮,同時汲取液則被透過正向滲透膜的水分子稀釋。


                 
                 汲取液對于正向滲透應用極為關鍵,直接影響著水處理效率,及汲取液再生過程的能量消耗。好的汲取液應具有以下幾個特點: 能產生較高的滲透壓驅動力、具有較低的粘度、具有極低的反向透過正向滲透膜的速度、較高的擴散系數、無毒、物理化學性質穩定、不與膜發生化學反應、不改變膜材料的性能和結構、能夠通過簡單經濟的方法與水分離、能夠重復使用。
           
           目前的汲取液主要可以分為五類(如圖),



          針對不同的滲透壓,汲取液再生過程可以輔以不同的技術, 包括反滲透,膜蒸餾,電滲析等等。
           
          正向滲透技術的優點非常明顯
           
          (1)可低壓甚至無壓操作,因而能耗較低;
           
          (2)對許多污染物幾乎可完全截留,分離效果好;
           
          (3)抗污染能力強,而且由于低壓操作,即使形成了污染層也會比較疏松,非常容易清洗,對比反滲透工藝,可以大大降低對于進水水質的要求,從而能夠處理一些反滲透無法處理的高污染類廢水,或者大大減少預處理工藝,做到工藝的集成整合。
           
          (4)正向滲透采用特殊的溶質配制汲取驅動液,可以通過配制高濃度的汲取液,從而得到更高的滲透驅動壓力,以實現傳統反滲透無法應用的高壓運行效果,達到更高的水回收率;
           
          正向滲透的缺點也同樣非常明顯:
           
          (1) 單獨FO過程不能取得純水,只能實現低滲透壓原液的濃縮和高滲透壓汲取液的稀釋。而且當預處理能耗不高的情況下,FO+RO的能耗會比RO系統能耗更高。
           
          (2) 目前汲取液及其回用技術選擇有限,主要為NH3-CO2體系和NaCl體系。
           
          (3) 在選用NaCl等鹽類做汲取液時,回用方式一般為反滲透。由于汲取液一側的滲透壓需要高于原液的滲透壓,通常汲取液的回用過程需要更高的驅動壓力。
           
          綜合考慮FO技術的優缺點,正向滲透技術的應用可包括三類:
           
          a. 針對于高難(高污染)廢水,利用正向滲透過程中原液濃縮的相關應用,如垃圾滲濾液濃縮,各類污水濃縮、厭氧消化液濃縮及高鹽度廢水濃縮(如反滲透濃水、煤化工鹽水等);
           
          b. 利用正向滲透過程中汲取液被稀釋的相關應用。如使用肥料汲取液稀釋后用于農業當中;滲透稀釋海水用于海水淡化;使用糖漿汲取液,用于軍隊、遠征探險過程中直接處理雨水、污水為可飲用的高能量水;
           
          c, 在熱敏(如食品飲料行業)物質濃縮、貴重物資回收和(痕量)污染物去除領域中的相關應用。
           
                 簡單來說,當所選應用符合以下幾個條件之一的時候,正向滲透技術可能會很好地發揮其優勢。一,所處理水質具有高度污染傾向;二,需要更高的截留率;三,需要更高倍數的濃縮;四,需要超低壓甚至無壓運行;五,需要低溫濃縮;六,同時具備需要濃縮的原液及需要稀釋的汲取液。
           
                 正向滲透應用場景中最能夠發揮其優勢的一類應用是獨立正向滲透過程,不需要輔以汲取液再生,該過程充分利用滲透壓驅動,以最低的能耗完成對高滲透壓流體的稀釋或低滲透壓流體的濃縮。目前該類應用場景包括:戶外應急正向滲透應急凈水包; 用化肥濃縮液作為汲取液回用工業或生活廢水; 利用海水或海淡過程的濃鹽水作為汲取液對石化生產廢水等進行濃縮減排; 利用海水與淡水(如河水或生活/工業污水)通過PRO(壓力阻滯滲透)過程發電等。
           
                 此外在傳統生產制造過程中存在大量的濃縮及稀釋過程可以通過FO技術進行工藝升級,進一步簡化過程并降低能耗。其它應用則需要正向滲透與汲取液回用技術結合。此時汲取液的選擇非常重要,需要考慮到汲取液的反向滲透,回收技術,滲透壓差,穩定性,溶質擴散性,粘度等因素。其中汲取液的反向滲透太高,會直接影響產水水質與汲取液的補加成本。目前正向滲透技術研究在海水淡化與垃圾滲濾液處理上取得了不少積極的成果,未來應用前景逐漸明朗。
           
          應急凈水包
           
                 應急凈水包是利用正向滲透膜技術針對極端惡劣條件開發的民、軍用產品,目前已經裝備于美國海軍陸戰隊等。在使用時凈水包內的營養液(包括糖份,礦物質,無機鹽等)會從周圍受損水體或海水中吸取純水,得到可以直接引用的水體。該發明為驢友戶外探索和戰斗部隊作訓等提供了良好的飲水保障。
           


          肥料灌溉正向滲透應用
           
                  農業用水是目前世界上淡水資源消耗的主要領域之一,FO技術完美的發揮了正向滲透的特點,選擇生活污水或工業污水為原液,高濃度的肥料母液為汲取液,稀釋后的汲取液(不需要再生)用于灌溉,所以整體工藝合理,將原來的先過濾再使用的兩步過程簡化為一步完成,以更低的能耗實現污水的過濾回用。



          垃圾滲濾液處理
           
                 垃圾滲濾液水質復雜, COD普遍很高,有很強的污染傾向,傳統處理方式為調節池+生化+NF+RO等工藝,投資成本和遠營成本均很高。正向滲透技術可以在該領域很好的發揮抗污染的優勢,處理效果顯著,簡化處理工藝,實現更高的回收率,運行穩定,管理方便,工藝簡單,建設及運行費用低,無廢氣。


                                                                      垃圾滲濾液(高難廢水)正向滲透工藝過程
           
                  目前越來越多的公司和高校已經開始投入正向滲透技術的應用開發。其中耦合FO技術海水淡化,垃圾滲濾液處理等發展較快,隨著正向滲透技術在各不同應用中的工藝路線逐漸成熟,相信在不遠的未來,正向滲透技術將在更多的領域真正幫助降低水處理成本,提升水資源的使用效率,并實現大范圍的商業化應用。

           
                                                                                  正向滲透組件


                                                                                               正向滲透小試裝置
           

                                                                      正向滲透中試裝置
           

           
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