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正渗透膜传递过程的认识和优化

实践都已表明,正渗透的实际通量要远远小于理论通量。与反渗透过程相类比,不难找到该问题的根源。众所周知,伴随着反渗透过程的进行,膜表面势必有溶质的积累。显然,膜表面处增加的渗透压会使反渗透膜的通量显著降低。同样的,伴随着正向渗透过程的进行,原料液侧膜活性层处有溶质的积累。同时,汲取液侧膜活性层处水化学势却显著增大。膜两侧主体溶液的渗透压差要远高于膜活性层两侧的渗透压差,即:正向渗透的传质推动力减小了。也就是说,正渗透过程也同样存在浓差极化现象。考虑到上述讨论是以膜整体作为研究对象,故应准确地称上述现象为外浓差极化。对应地看,发生在原料液侧和汲取液侧的浓差极化则分别应称为浓缩的外浓差极化和稀释的外浓差极化。有研究显示,外浓差极化所发挥的作用较小,并不是正渗透膜通量远远低于预期的主要原因。

另一方面,当复合膜或不对称膜用作正向渗透膜时,致密的分离层和多孔支撑层的存在使浓差极化的分析变得更为复杂。当多孔支撑层朝向原料液侧时,溶质会在紧靠致密层的支撑层孔内部得到积累,这称为浓缩的内浓差极化。显然,该现象类似于浓缩的外浓差极化,但由于其发生于膜孔内,所以是不能通过原料液的错流行为得以缓解。反之,当多孔支撑层朝向汲取液时,膜孔内的浓差极化则应称为稀释的内浓差极化。一般的,在水纯化和脱盐的应用中,正向渗透膜的朝向多选择后一种形式。有研究显示,内浓差极化是正渗透膜通量大幅下降的根本原因。

正向渗透膜过程的推动力是汲取液与原料液的渗透压差。欲使正向渗透膜过程得以实现,甚至是扩大生产能力,汲取液的作用也是举足轻重的。所以汲取液的选择和构成也是重要的研究课题之一。首先,它要与原料液之间有足够的渗透压差,使纯水源源不断地渗透过来。

另一方面,汲取液或渗透剂(Osmotic agents)应很容易地通过相关方法得到浓缩或分离以获得纯水并维持正向渗透推动力。另外,对它的选择还应有其他的相关要求。即,它应是惰性的,稳定的,(接近)中性的,无毒的,价廉的,易溶的,能提供较高渗透压的。而且,它不能通过反应、溶解等化学方式和污染等物理方式来损坏膜。所以,寻找适宜渗透剂是非常重要的,但又是非常困难的。例如,人们很容易想到利用具有温敏性溶解度差异的溶质作为渗透剂,这样在提供渗透压的同时也便于将他们从产品水中分离。无疑,这样的物质很多,但都因为不能满足上述某些要求,故不能适用于正渗透过程 

作者:世韩环境家电

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