水处理领域正渗透膜材料的应用与发展

水处理领域正渗透膜材料的应用与发展

几十年前，人们在溶液中发现了正渗透。在过去的十年里，正渗透（fo）是一种膜技术，它可以通过膜两侧溶液的渗透差异来驱动水的流动。与其他外部压力相比，高级过滤、纳过滤和渗透等膜技术的类型相比，从废水处理中回收淡水资源和发电。与其他膜技术处理废水工艺相比，正渗透工艺具有一些独特的优势1渗透类型、结构和材料正渗透膜是正渗透法水处理工艺的基础组成部分，对水处理效能中的纯水通量、原液中盐离子的截留率、膜污染程度等重要指标均有重大的影响。1.1半渗透试验在早期研究中，正渗透研究人员主要采用商业化的反渗透膜或纳滤膜作为半渗透膜进行正渗透试验。但是，反渗透膜的支撑层较厚，导致严重的膜浓差极化现象，从而使正渗透膜纯水通量较低1.2活性层材料的制备和修饰2010年，OASYSWATERINC.研发出第一批商用超薄膜复合膜理想的TFC膜理论上具备以下特性理想的TFC膜具有高性能的致密活性层和高强度的支撑层为了尽可能消除ICP和膜污染导致的纯水通量损失，提高膜的盐的截留率和驱动液溶质的反渗透率，近年，研究者们围绕支撑层和活性层的材料和结构进行了许多改进和尝试，很多研究者通过对膜材料的物理修饰和化学修饰物理修饰是将亲水性材料添加到原料或膜表面，没有任何化学反应来改变膜的组成和结构从而达到改变膜的某一种或者几种性能的方法1.2.1材料改性和肌腱层结构优化在支撑层材料的改性中，许多研究者取得了一些较好的研究成果。YOU等LIU1.2.2tfc膜支撑层的孔隙率研究者们发现，膜的支撑层性质对活性层的性能也有影响，进而影响整个膜的性能。支撑层的孔隙率对TFC膜的水通量有重大的影响。张倩KIMGHOSH等RAMON等1.2.3tfc膜活性层改性相比于TFC膜的支撑层，针对活性层材料和结构改变的研究多一些。EMADZADEH等ZHAO等上述研究均通过物理改性对活性层材料进行改进，研究表明活性层的物理改性有助于整体提高FO膜的性能，但膜材料经过长期使用后，添加的材料有很高的泄漏风险。此外，有些改性会引起活性层孔隙率的提高，使得驱动液溶质反渗透率提高，从而降低膜的综合性能。相比于物理改性，化学改性可以有效克服以上缺点。SHEN等BAO一些研究者发现TFC膜活性层的结构对膜的主要性能有关键的影响作用。VRIJENHOEK等另一方面，在新的薄层复合膜结构方面研究者们也有一些新的发现。QI等1.3其他新材料2006年，BOWEN等另一种新型的水凝胶正渗透膜近年来也有一些研究者表现出研究兴趣，QIN等2表面活性剂的选择及正渗透技术的研发过去的六年中，关于新型正渗透膜材料的开发和正渗透膜改性的研究论文数量非常多。其中，中国的研究论文数量逐年增加，如图2所示。澳大利亚是2014年至2018年论文数量发表最多的国家。此外，过去六年来，伊朗对于正渗透膜材料的研究论文数量也逐年增加，在2019年的论文数量甚至超过了澳大利亚，成为全球数量第二多的国家。相比之下，新加坡的研究数量却有逐年下降的趋势。尽管，在正渗透膜材料领域里，研究者们已经开展了大量研究工作，取得了包括前文中提到的许多研究成果，成果中的新型正渗透膜材料的某一种或者某几种特定性能指标上取得了显著的突破。但目前研发出的新型膜材料大多仅具有一种或几种优异特性，而其他性能水平一般或非常低，甚至有一些指标特性是该膜材料的致命缺点，因此，这些膜材料的综合性能仍然存在很大的改善提高空间。优异的正渗透膜材料应具备以下全部或大部分性能指标：膜材料的组成成分和结构性质稳定，活性基团性能发挥稳定，具有较高的水通量，具有较低的驱动液溶质反渗透通量、原液的离子排斥范围广泛并且脱盐率高，优良的机械延展性能，机械强度较高，膜材料浓差极化现象尤其是内部浓差极化现象对过膜的水通量影响较小，酸碱耐受范围广泛，宽泛的抗污染范围，膜截留污染物-滤饼层清洗简单，使用温度宽，并且温度对膜的过滤效率的影响非常小，甚至可以忽略不计，制备材料种类繁多，制备工艺简单，膜材料成品的制备重现性高，较高的成膜均匀性等。另一方面，正渗透膜的工业化生产和商业化销售产业在当前世界开展的仍然比较少，成熟的商业化产品不多。正渗透膜的研发和商业化产业进行最开始于美国和丹麦，美国的HydroTechnologyInnovations(HTI)Company(HTI）公司联合耶鲁大学是比较早的开始从事正渗透膜的研发工作，并最早开展正渗透膜的商业化工作取得一定成果。HTI的膜片样品是世界上正渗透研究人员最常采用的FO膜材料。在实际应用中，HTI最早于2002年开始在美国国家航空航天局、美国国防部、美国军方分支机构以及全球救援组织中应用正渗透膜，在该应用中，驱动液主要成分是糖分，稀释以后的驱动液可直接利用。同时HTI将正渗透膜应用在采油行业中，可回收80%的钻井废水用于再次利用。在南澳大利亚大学的水管理和再利用中心，基于HTI技术的TFC-FO进行了中试研究，驱动液由反渗透技术回收。但最近，HTI公司的膜片已经停止向外部研究者继续供应，并且正渗透技术的进一步应用进展鲜见报道。2008年，美国OasysWater公司开发了聚酰胺TFC膜，并将其推向商业和工程应用。2013年，Oasys推出了集成的FO系统，该系统采用可以通过加热回收的（NH2010年，FO-RO系统的安装在阿曼和直布罗陀完成，在AlNaghdah建立了200m丹麦AquaporinA/S公司于2012年研发出商业化的AQP正渗透膜，并于2013年和国内的国中水务股份有限公司、博天环境集团股份有限公司联合在国内建立了水通道蛋白膜生产线，进一步促进了AQP正渗透膜的进一步商业化。2017年Aquaporin推出了新型中空纤维FO膜。2010年以来，在加利福尼亚的TreviSystemInc.基于醋酸纤维正渗透膜在美国和中东建立了五个中试规模的试点。该系统采用可溶性聚合物作为驱动液，采用两阶段纳滤工艺回收驱动液溶质。3tfc膜材料改性技术研究的未来研究方向研发出综合性能优越的正渗透膜材料是正渗透技术应用的关键性基础要素之一。虽然关于正渗透膜的制备和改性的研究已经非常多，但基于目前全球的商业化正渗透膜供应现状，正渗透各性能指标比较完善稳定的供应产品仍然很少，大多数公司的产品仍处于试验、改进或者中试阶段，因此，正渗透膜材料的商业化产业仍存在较宽广的发展空间，因此建议未来在以下三方面加强研究：1)TFC膜材料的改性和制备研究成果相对于CTA、CA膜材料较多，获得膜材料性能优越的指标较多，建议继续加强TFC膜材料的深入研究，强化支撑层的机械强度同时减少支撑层的厚度，深入孔隙度对水通量影响研究。2）强化TFC膜材料活性层对驱动液溶质的反渗透通量的控制，尤其在应用分子的水和离子半径与水分子的水和离子半径相似的驱动液溶质工况下。3）进一步开发制备出综合性能指标比较优秀的新型膜材料，通过材料添加方式的物理改性的膜材料加强材