正滲透原理及濃差極化現(xiàn)象

1、第22卷第5期2010年5月化學(xué)進(jìn)展PROGRESSINCHEMISTRYVol.22No.5May，2010收稿:2009年8月，收修改稿:2009年9月國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(No.2009CB623402)和材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(No.38901120)資助Crespondingauthemail:xuemeili@njut.edu.cntaohe@njut.edu.cn正滲透原理及濃差極化現(xiàn)象李

2、剛1李雪梅1柳越1王鐸2何濤1高從堦2(1.南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京2100092.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院青島266003)摘要本文介紹了正滲透的基本原理，減壓滲透在能源轉(zhuǎn)化中的工作原理，并與反滲透進(jìn)行了比較。闡述了正滲透實(shí)際的膜性能遠(yuǎn)低于預(yù)期的現(xiàn)象，以及造成該現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)詳細(xì)描述了非對(duì)稱膜的濃差極化模型，指出了避免外濃差極化的方法從膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度總結(jié)出了減弱內(nèi)濃差極化的途徑，從而為正滲透

3、膜材料的制備和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞正滲透反滲透減壓滲透內(nèi)濃差極化外濃差極化中圖分類號(hào):O645.14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005281X(2010)05081210FwardOsmosisConcentrationPolarizationLiGang1LiXuemei1LiuYue1WangDuo2HeTao1GaoCongjie2(1.CollegeofChemistryChemicalEngineering，Key

4、LabofMaterialsientedChemicalEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China2.CollegeofChemistryChemicalEngineering，OceanUniversityofChina，Qingdao266003，China)AbstractThebasisoffwardosmosis(FO)aswellasthepri

5、ncipleofpressureretardedosmosis(PRO)areintroducedcomparedwithreverseosmosis(RO).ThephenomenontheythatactualpermeabilityinFOisfarbelowtheeticalpermeabilityaredescribed.Themodelsdescribingtheconcentrationpolarizationinasym

6、metricmembranesaresummarized.Severalmethodsareintroducedtodecreasetheexternalconcentrationpolarization.Approachestoattenuatetheinternalconcentrationpolarizationbasedonthestructuredesignofmembranematerialsarepresented.The

7、reviewprovidesatheeticalbasisfpreparationapplicationofFOmembranematerials.KeywdsfwardosmosisreverseosmosispressureretardedosmosisinternalconcentrationpolarizationexternalconcentrationpolarizationContents1Introduction2Bas

8、icprincipleoffwardosmosis3Thephenomenonofconcentrationpolarization3.1Externalconcentrationpolarization3.2Internalconcentrationpolarization3.3Modelingconcentrationpolarization4Summary1引言環(huán)境污染、資源匱乏和人口迅速增長是人類面臨的三大危機(jī)。隨著世界經(jīng)濟(jì)的高

9、速發(fā)展，人口的不斷增長，全球的淡水資源和能源危機(jī)日漸嚴(yán)重。根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球大約有10億人喝不到潔凈的水，全球大約有23億人生活在水資源缺乏地814化學(xué)進(jìn)展第22卷透(PRO)，如圖1b所示當(dāng)Δp=0時(shí)，純水Jw就在滲透壓的推動(dòng)下透過膜從淡水側(cè)擴(kuò)散到鹽水側(cè)，此過程稱為正滲透(FO)，如圖1a所示。Lee等［25］具體描述了三種過程之間的關(guān)系，如圖2所示。圖2正滲透、反滲透和減壓滲透，水通量與水壓力的關(guān)系。當(dāng)Δp=0時(shí)，正滲透發(fā)生

10、，減壓滲透區(qū)域?yàn)樗畨毫υ?和流量轉(zhuǎn)向點(diǎn)之間，反滲透區(qū)域?yàn)椴僮鲏毫Υ笥跐B透壓差處［22］Fig.2IllustrationsofprofilesftherelationshipbetweenwaterfluxappliedpressureinFO，PRO，RO.FOtakesplacewhenthehydraulicpressuredifferenceiszero.ThePROzoneiswheretheappliedpressuredi

11、fferenceisbetweenzerothefluxreversalpoint，theROzoneissituatedwheretheappliedpressuredifferenceisgreaterthantheosmoticpressuredifference［22］三種過程都是膜過程，它們的實(shí)現(xiàn)都需要兩個(gè)因素:具有選擇透過性的膜和膜兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)力。例如，利用反滲透技術(shù)實(shí)現(xiàn)海水淡化(ΔpΔΠ)，首先需要合適的反滲透膜，它只允許水

12、透過，而截留海水中的溶質(zhì)分子或離子。使用正滲透技術(shù)實(shí)現(xiàn)海水淡化也需要合適的正滲透膜，其物理化學(xué)性質(zhì)應(yīng)與反滲透膜有所不同［22］。膜的一側(cè)是海水，另一側(cè)是具有低水化學(xué)勢(shì)、高滲透壓的驅(qū)動(dòng)溶液，使純水在膜兩側(cè)的滲透壓差(ΔΠ)的推動(dòng)下，從海水一側(cè)滲透到驅(qū)動(dòng)溶液一側(cè)。減壓滲透可看成正滲透和反滲透的中間過程(ΔpΔΠ)。正滲透技術(shù)的特點(diǎn)是其驅(qū)動(dòng)力為滲透壓差(ΔΠ)本身，分離無需外加壓力就可自發(fā)進(jìn)行:(1)在正滲透過程中水自發(fā)擴(kuò)散傳遞過膜，能耗與傳

13、統(tǒng)分離技術(shù)相比非常低。而傳統(tǒng)的反滲透過程，需要克服正滲透這一水的自然特性，需要提供外部壓力，從而消耗了大量能量。(2)正滲透過程中沒有外加壓力，而且由于膜材料具有親水性，膜污染低可應(yīng)用于傳統(tǒng)反滲透技術(shù)無法應(yīng)用的分離過程，如染色廢水、垃圾滲透液的深度處理以及膜生物反應(yīng)器中。由于膜污染的趨勢(shì)降低，可降低膜清洗的費(fèi)用以及化學(xué)清洗劑對(duì)環(huán)境的污染。(3)與反滲透相比，正滲透過程回收率高，無濃鹽水排放，環(huán)境友好。就海水淡化而言，通過選擇合適的驅(qū)動(dòng)溶

14、液，其水回收率可達(dá)到75%，而反滲透水回收率為35%—50%［26］。(4)減壓滲透過程(PRO)可以將滲透壓轉(zhuǎn)化為能源。(5)此外，正滲透適用于廣泛的應(yīng)用環(huán)境，如可應(yīng)用于航天、污水處理、液體食品的濃縮和藥物釋放等方面。3濃差極化現(xiàn)象理論上，正滲透可以采用具有非常高的滲透壓的驅(qū)動(dòng)溶液而實(shí)現(xiàn)比反滲透更大的水通量，然而研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)期值［25，27，28］。這是由于FO過程特有的濃差極化現(xiàn)象造成的(圖3)。正滲透過程中，濃差極化

15、現(xiàn)象分為內(nèi)濃差極化和外濃差極化。圖3正滲透過程中不同膜方向的濃差極化示意圖。(a)對(duì)稱致密膜，發(fā)生外濃差極化(b)非對(duì)稱膜，多孔支撐層對(duì)進(jìn)料側(cè)，發(fā)生濃縮性內(nèi)濃差極化(c)非對(duì)稱膜，多孔支撐層對(duì)驅(qū)動(dòng)側(cè)，發(fā)生稀釋性內(nèi)濃差極化。C表示溶質(zhì)濃度，ΔΠeff表示有效驅(qū)動(dòng)力Fig.3Illustrationsofconcentrationpolarizationprofilesfdifferentmembraneientationsinfwardo

16、smosisprocess:(a)Asymmetricdensemembrane.(b)AnasymmetricmembranewiththepoussupptlayerfacingthefeedsolutiontheprofileillustratesconcentrativeinternalCP.(c)Anasymmetricmembranewiththepoussupptlayerfacingthedrawsolutionthep