正渗透膜的制备方法及应用

石峥 陈庆林 魏小龙 高维潞 王卫国 施瑞芝 张丽君

摘要：本文介绍了正渗透（FO）膜的基本工作原理及未来发展趋势，阐明了几个典型的正渗透膜的制备方法、特性、优化以及正渗透技术的应用。

关键词：正渗透;优缺点;膜优化;膜应用

Preparation Method and Application of Forward Osmosis Membrane

Shi Zheng   Chen Qinglin  Wei Xiaolong   Gao Weilu    Wang Weiguo

Shi Ruizhi   Zhanglijun

Changchun Institute Of Technology  JilinChangchun  130012

Abstract：This article introduces the basic working principles and future development trends of forward osmosis （FO） membranes，and clarifies the preparation methods，characteristics，optimizations and applications of forward osmosis technologies for several typical forward osmosis membranes.

Keywords：Forward osmosis;Advantages and disadvantages;Membrane optimization;Membrane application

正渗透（FO）技术凭借自身的低能源效率和无污染性等优势得到了社会和人们的普遍重视。正渗透过程的动力是来自原料液和汲取液之间的渗透压差，即水由水化学势高的原料液一侧自发通过正渗透膜扩散到水化学势低的汲取液一侧，此过程不需要任何外部能耗。因此，与传统由压力驱动的膜分离工艺（如反渗透）相比，如下图1，正渗透工艺在生产过程中具有能源消耗低、水资源回收率Changchun Institute Of Technology   Changchun， Jilin  130012是由于膜材质的不同导致膜的各性能（截留性、水通量、膜污染情况、抗反渗透性等）有较大差距，因此制备具备具有高截留、高水通量、低膜污染以及抗反渗透性强的正渗透膜成为研究的重点[1]。

图1  整渗透膜与反渗透膜原理图

1 典型的正渗透膜制备方法及应用

1.1 聚酰胺类膜

1.1.1 膜制备方法

聚酰胺复合膜[2]是一种能够具有优良薄膜耐热性高温并且易于用作化学试剂处理作用的新型高分子化学薄膜，其由支撑层和分离层组成，支撑层是在保证膜机械性能稳定的同时提高膜的水通量，分离层可以有效地提高膜的截留率。复合型基膜的开发制备生产工艺基本方法主要原理：第一步是用相转换法来制备多孔支撑层的同时再通过改变制备膜时的温度、聚合物浓度以及膜后处理等因素来得到最佳的支撑层，但其厚度不大于150μm;第二步是选择间苯二胺和均苯三甲酰氯来制备超薄分离层，这两种单体会在多孔支撑层上界面瞬间聚合;第三步是通过人为改变单体的浓度，找到最佳浓度来并控制界面聚合条件来得到最佳的超薄分离层[3]，其厚度只要0.01～0.1μm。

1.1.2膜特性

芳香族聚酰亚胺[4]的耐热性能良好、刚度大、熔点高;且可以长时间在250～300℃下长时间使用;用可溶于有机溶剂的聚酰胺酸在基板上涂抹均匀后进行200℃的高温处理（脱水），就会形成聚酰亚胺薄膜在基板上。该膜的性质非常稳定，耐热且在有机溶剂中不溶解。被称为共溶剂辅助界面聚合（CAIP）的聚酰胺膜[5]相比之前的复合膜表现了出更高的水通量且没有明显的脱盐损失。2010年，Elimelech[6]的团队就已经首次成功开发生产出复合式正反高渗透性薄膜和固体支撑基膜[7]。

1.2 醋酸纤维素类膜

1.2.1 膜制备方法

相转换法制备膜是使用一定组分成分的相聚合物溶液配制得到，而醋酸纤维素类膜的制备用的就是相转换法，首先以醋酸酐和纤维素为主要原料、聚酯筛网为支撑材料，通过乙酰化反应生产出醋酸纤维素（CA，CTA）薄膜材料[8]。具体方法是：第一步把已经干燥完成的CA或者CA和CTA混合物加入到體积比确定的1，4-二氧六环、甲醛、乳酸和丙酮的混合溶液里并在室温下用玻璃棒搅拌均匀使完全溶液，然后静置一天以上。第二步使用刮刀在涂有支撑材料的玻璃板上挂一定厚度的薄膜并要求控制温度和改变湿度让其在空气中挥发半分钟（去除溶剂），在放入去离子水中并改变水温使其发生胶凝，从而制成非对称膜。

1.2.2 膜特性

以醋酸纤维素为主要原料而制备的薄膜材料虽然具有亲水性良好、水流通量大、污染小、易受氯、耐氧化、机械运动强度高等诸多优点，但也存在容易被水解、耐酸碱性差（ph=5-7）[9]、易产生微粒和生物黏附等缺陷。2012年李[10]考察了不同的CA浓度、环境湿度、凝胶浴温度以及热处理温度几个因素对CA正渗透膜性能的影响。经研究表明当CA浓度在体积分数选定到为10.4%～13.9%，湿度达到70%;凝胶浴的温度为0℃～15℃;热处理温度在50℃～60℃时，相对水通量和截留率为最佳。

2 正渗透膜技术的应用

正渗透技术因为能耗低、水回收率高等优势得到了广泛的关注，并已在食品、药学、能源等领域尤其在水淡化领域有成功的尝试。

2.1 橙汁浓缩

浓缩果汁可以延长果汁的保质期，并降低储存和运输的成本。诸如反渗透之类的膜工艺通常用于澄清和浓缩果汁，由于浓缩极化和膜污染，通常导致最高浓度仅为25%到30%。传统的浓缩方法，例如蒸馏，会引起气味，味道和营养成分的损失，从而降低了产品的质量并消耗了大量的能量。然而，正向渗透（FO）过程依赖于膜两侧的渗透压差来自发地将水从原料液体的一侧驱动到汲取液体的一侧。在此过程中，不需要外部压力并且能耗低。在正向渗透过程中，汁液在常温常压下浓缩，可以确保其质量不会降低，并且膜的污染很小，从而增加了膜在处理过程中的使用寿命，也大大降低了成本[11]。

2.2 制药工业

在我国制药制品工业中，正渗透性薄膜技术广泛用于丰富各种制药系列产品，准确地高效传输和快速释放各种药物。Alzet公司设计出具有正滲透膜纳米孔径的正渗透泵。有一个小孔，药物每次释放时的速率极低，连续多次释放药物时间很有可能会长达1年。杨等[13]研究使用双层复合聚苯并苯环咪唑-单层聚醚砜/单层聚乙烯复合吡咯烷酮中间真空膜富集酶的药物裂解产品（也例如药物裂解酶），发现这种中空膜不易被其他蛋白质载体污染而被用于制成药物裂解液。该酶纯度高，相关特性无变化。GE[14]等研究使用使用Na-Cr-OA和C作为正常高渗透性的吸收抑制剂，可将新鲜牛奶中血清蛋白的能量富集率大幅提高20%。

2.3 废水处理

1998年，Osmotek公司组装了一套实验室规模的FO系统，对在Corvallis Oregon的Coffin Butte垃圾填埋厂的垃圾渗滤液进行了浓缩试验[15]。实验结果表明，对未经浓缩预处理的中性渗滤液及其进行一次过滤时，此系统对膜的TDS、TSS、TKN、COD的截留率均在94%～96%，过滤成膜后的水通量也没有明显程度衰减;但对未经浓缩的中性渗滤液及其进行多次过滤时，过膜的表层水通量衰减了30%～50%，经过多次清洗后的水通量基本完全恢复。在实验室成功运行后，Osmotek公司设计和组装了一套大型膜渗透系统，实现了FO系统的工程应用。

3 结语

正渗透膜技术由于自身具有低能耗、低膜污染的特殊优点，在许多工业和科学技术领域中都已经得到了广泛的应用，但也因膜材质不同造成结果的差别;同时，膜的耐腐蚀性和抗污染性、后期清洁的难易程度和膜的动力学特性等都是我们所需要进行的。因此，寻找合适的薄膜材料，开发和研究一种力学性能较强且稳定性良好的薄膜材料，制备具有高通量、延长使用寿命和耐污染物的正渗透薄膜将成为未来研究方向。相信通过不断的研究努力，性能更加优越的FO薄膜将会被研发和应用到各个方面，FO 技术也必将具有更为广阔的市场和应用前景。

参考文献：

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Desalination，1975，16（2）：151-155.

基金：吉林省教育廳科学技术研究项目（JJKH20210678KJ）;长春工程学院大学生创新创业训练计划资助项目（202011437077）

作者简介：石峥（2000一  ），男，汉族，安徽滁州人，学生，研究方向为污水资源化。