第四節(jié)　膜分離技術(shù)單元

膜分離技術(shù)是通過(guò)選擇性透過(guò)膜對(duì)混合物中各組分的選擇性滲透作用的差異，借助外界能量或以化學(xué)位差為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分的混合氣體或液體進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集的新型工業(yè)廢水處理方法，包括微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、電滲析（ED）和反滲透（RO）等^［61］。我國(guó)膜分離技術(shù)的發(fā)展是從1958年對(duì)離子交換膜的研究開(kāi)始的，20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始進(jìn)行反滲透的研究，70年代進(jìn)入電滲透、超濾、微濾用膜組件的開(kāi)發(fā)階段，80年代初開(kāi)始進(jìn)行氣體分離研究開(kāi)發(fā)。20世紀(jì)80年代是我國(guó)膜分離技術(shù)大發(fā)展的10年，在這一階段初步完成了從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的過(guò)渡^［66］。圖1-9為反滲透、超濾、微濾、正滲透膜分離異同的示意圖，表1-2進(jìn)一步列舉了幾種主要膜分離過(guò)程及其對(duì)應(yīng)的傳遞機(jī)理、推動(dòng)力、透過(guò)物、膜類型^［67］。

膜分離技術(shù)作為新的分離凈化和濃縮方法，與傳統(tǒng)的分離操作（如蒸發(fā)、萃取、沉淀、混凝和離子交換等）相比較，操作過(guò)程中大多無(wú)相變化，可以在常溫下操作，具有低耗、高效和不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點(diǎn)。膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示：美國(guó)占50%，日本占18%，西歐占23%。膜的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域如表1-3所列^［67］。在化工、石化、醫(yī)藥、輕工等能耗較高、污染較重的領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用后，不僅能提高相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)裝備水平和產(chǎn)品質(zhì)量，還有助于減少污染物的排放、節(jié)能降耗、降低成本。

一、微濾與超濾膜分離

微濾與超濾二者都是以“篩分”原理為主的薄膜過(guò)濾^［68］。篩分原理認(rèn)為膜有無(wú)數(shù)個(gè)微孔，這些實(shí)際存在的不同孔徑的孔眼，像篩子一樣截留直徑大于孔徑的溶質(zhì)和顆粒，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的。“篩分”是通過(guò)比膜孔大的顆粒的機(jī)械截留、顆粒間相互作用及顆粒與膜表面的吸附、顆粒間的橋架作用這三種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的^［68］。

1.微濾膜分離法

微濾又稱為精過(guò)濾或篩網(wǎng)狀過(guò)濾，是利用孔徑為0.1～20μm的選擇性透過(guò)膜，在給定壓力下（50～100kPa）對(duì)氣相和液相中直徑大于50nm的細(xì)小懸浮物、微生物、微粒、細(xì)菌、酵母、紅細(xì)胞、污染物等進(jìn)行截留，僅使溶劑、鹽類及大分子物質(zhì)透過(guò)，達(dá)到凈化和濃縮目的的過(guò)程。它屬于壓力驅(qū)動(dòng)型的膜分離過(guò)程，其工作原理是：在膜兩側(cè)靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子透過(guò)膜，大于膜孔的粒子則被截留在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分離^［68］。

微濾技術(shù)是目前所有膜技術(shù)中應(yīng)用最廣、最有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的技術(shù)。微濾主要用于懸浮物分離、制藥行業(yè)的無(wú)菌過(guò)濾等。在制藥工藝中，微濾膜分離技術(shù)被用于藥物澄清，即去除微粒、細(xì)菌、大分子雜質(zhì)等^［66］。Adikane等^［69］研究了用微濾膜去除青霉素G發(fā)酵液中的菌絲體，青霉素G的回收率可達(dá)98%。此外，由于與超濾膜、反滲透膜相比，微濾膜的孔徑相對(duì)較大，因此，微孔過(guò)濾常常作為一種“粗過(guò)濾”為反滲透做預(yù)處理，以保證反滲透能穩(wěn)定進(jìn)行。徐竟成等^［70］采用微絮凝過(guò)濾-微濾作為反滲透的預(yù)處理工藝，用于印染廢水二級(jí)生化出水回用深度處理，出水濁度＜0.2NTU，淤泥密度指數(shù)（SDI）穩(wěn)定在4左右，達(dá)到反滲透膜對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求。

2.超濾膜分離法

超濾與微濾一樣，也是以壓力差為推動(dòng)力，以篩孔作用為主的薄膜過(guò)濾。與微濾不同，超濾受膜表面的化學(xué)性質(zhì)影響較大。其原理是：在一定的壓力（100～1000kPa）條件下，溶劑或小分子量的物質(zhì)通過(guò)孔徑為1～20μm的不對(duì)稱微孔膜，而直徑在5～100nm之間的大分子物質(zhì)或者微細(xì)顆粒被截留，從而實(shí)現(xiàn)凈化的目的。目前，超濾中普遍采用的膜為：醋酸纖維素膜和聚酰胺膜，聚醚砜膜、聚砜酰胺膜、多孔金屬膜、多孔陶瓷膜、分子篩等。超濾膜組件主要結(jié)構(gòu)形式有板框式、管式、卷式、中空纖維式、毛細(xì)管式、條槽式等，膜表面積分別為25～50m²/m³、400～600m²/m³、800～1000m²/m³、600～1200m²/m³、200～300m²/m³，其中毛細(xì)管式超濾膜組件在投資費(fèi)用、運(yùn)行成本、流速控制等方面表現(xiàn)良好^［71］。

超濾主要用于濃縮、分級(jí)和大分子溶液的凈化等。目前國(guó)內(nèi)一些磷肥生產(chǎn)企業(yè)采用微濾膜分離法去除磷石膏廢水中的含氟化合物^［66］。近年來(lái)，UF膜法已逐漸應(yīng)用到中藥制劑工藝中，取得了良好的效果。李淑莉等^［72］初步研究了聚砜超濾膜對(duì)黃芩（根）、黃連（根莖）、黃柏（皮）、金銀花（花）、五味子（果）、大青葉（葉）等中藥提取液的滲透行為，結(jié)果表明各中藥有效成分的回收率均高于74%。超濾技術(shù)可以在不用加入其他試劑的前提下，純粹通過(guò)物理分離，有效去除乳化油，同時(shí)不產(chǎn)生含油污泥，濃縮液僅為初始量的3%～5%，可回收處理或直接焚燒^［71］。

超濾膜在使用過(guò)程中很容易受到污染：濃差極化、凝膠層的出現(xiàn)及固化與膜堵塞。膜污染的解決方法有物理清洗法和化學(xué)清洗法。水洗、反沖洗和氣洗是常見(jiàn)的物理清洗方法。常見(jiàn)的化學(xué)清洗劑包括酸、堿、氧化劑、酶、表面活性劑等^［71］。

二、反滲透與納濾膜分離

1.反滲透膜分離法

1748年，法國(guó)人Nollet發(fā)現(xiàn)了豬膀胱在酒精和水之間的選擇透過(guò)性，在兩百多年后的今天，由于他的發(fā)現(xiàn)，人類利用反滲透（reverse osmosis，RO）技術(shù)將海水轉(zhuǎn)化成淡水。反滲透過(guò)程是與自然滲透過(guò)程相反的膜分離過(guò)程。它主要是依據(jù)溶液的吸附擴(kuò)散原理，以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程。在濃溶液一側(cè)施加外加壓力（1000～10000kPa），當(dāng)此壓力大于溶液的滲透壓時(shí)，濃溶液中的溶劑通過(guò)孔徑為0.1～1nm的反滲透膜反向流向稀溶液一側(cè)，這一過(guò)程稱為反滲透。滲透壓的選擇與溶液性質(zhì)有關(guān)，而與膜自身無(wú)關(guān)。

反滲透膜通常可去除90%～95%的溶解性固體、95%以上的溶解有機(jī)物、生物和膠體以及80%～90%的硅酸。反滲透膜對(duì)水中離子和有機(jī)物的去除性能，一般有如下規(guī)律^［73］。

①高價(jià)離子去除率大于低價(jià)離子。

Al³⁺＞Fe³⁺＞mg²⁺＞Ca²⁺＞Li⁺

②去除有機(jī)物的特性受分子構(gòu)造與膜親和性影響。

分子量：高分子量＞低分子量

親和性：醛類＞醇類＞胺類

側(cè)鏈結(jié)構(gòu)：第三級(jí)＞異位＞第二級(jí)＞第三級(jí)

③對(duì)分子量＞300的電解質(zhì)、非電解質(zhì)都可有效地去除，其中分子量在100～300的去除率為90%以上。

反滲透技術(shù)主要被用于低分子量組分的濃縮、水溶液中溶解性鹽類的去除等。農(nóng)場(chǎng)采用反滲透對(duì)牛奶進(jìn)行濃縮后加工成煉乳等制品^［74］。Joachim Danzig等^［75］研究了在連續(xù)的酶催化反應(yīng)制備6-氨基青霉烷酸（6-APA）過(guò)程中，采用RO膜分離法濃縮青霉素裂解液，隨著濃縮倍數(shù)的增加膜通量降低，而對(duì)6-APA的截留率基本能維持在98.5%以上，但當(dāng)料液濃度達(dá)400mmol時(shí)，截留率顯著下降，此時(shí)的滲透壓為44bar（1bar=10⁵Pa）。

2.納濾膜分離法

納濾膜是20世紀(jì)80年代發(fā)明的新型分離膜，是介于超濾膜和反滲透膜之間的、根據(jù)吸附擴(kuò)散原理以壓力差為驅(qū)動(dòng)力的膜，又稱“超低壓反滲透”“疏松反滲透膜”。在外加驅(qū)動(dòng)壓力（500～2500kPa）條件下，水溶液中低分子量的有機(jī)溶質(zhì)被截留，而鹽類組分可以部分通過(guò)納濾膜。納濾膜在應(yīng)用中具有以下2個(gè)顯著特點(diǎn)：①物理截留或截留篩分效果，截留分子量為200～2000，能截留分子大小約為1nm的溶解組分；②荷電性，對(duì)無(wú)機(jī)鹽有一定的截留率，其中單價(jià)離子的截留率較低（50%～70%），對(duì)二價(jià)及多價(jià)離子的截留率較高。由于納濾膜能在截留易透過(guò)超濾膜的那部分溶質(zhì)的同時(shí)，使被反滲透膜截留的鹽類透過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶質(zhì)的濃縮和脫鹽，因而被稱為當(dāng)代最先進(jìn)的工業(yè)分離膜^［76］。從膜的結(jié)構(gòu)上來(lái)看，納濾膜多是復(fù)合膜，即膜的表層分離層和支撐層的化學(xué)組成不同。

納濾與超濾、反滲透類似，均屬于壓力驅(qū)動(dòng)的膜過(guò)程，但其傳質(zhì)機(jī)理有所不同，一般認(rèn)為，超濾膜由于孔徑較大，傳質(zhì)過(guò)程主要為孔流形式，而反滲透膜通常屬于無(wú)孔致密膜，溶解-擴(kuò)散的傳質(zhì)機(jī)理能夠滿意地解釋膜的截留性能。而大部分納濾膜為荷電型，其對(duì)無(wú)機(jī)鹽的分離行為不僅受化學(xué)勢(shì)控制，同時(shí)也受到電勢(shì)梯度的影響，其確切的傳質(zhì)機(jī)理至今尚無(wú)定論。目前，納濾膜傳質(zhì)機(jī)理被認(rèn)為處于孔流機(jī)理和溶解-擴(kuò)散之間的過(guò)渡態(tài)，可通過(guò)適用于較大孔徑的宏觀模型來(lái)分析納濾膜的傳質(zhì)過(guò)程。目前表述膜的結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型有空間電荷模型、固定電荷模型、細(xì)孔模型等^［77］。

空間電荷模型假設(shè)膜由孔徑均一且其壁面上電荷均勻分布的微孔組成，微孔內(nèi)的離子濃度和電場(chǎng)電勢(shì)分布、離子傳遞和流體流動(dòng)分別由Poisson-Boltzmann方程、Nernst-Planck方程和Navier-Stokes方程等來(lái)描述。空間電荷模型是表征電解質(zhì)及離子在荷電膜內(nèi)的傳遞等動(dòng)電現(xiàn)象的理想模型^［77］。

固定電荷模型假設(shè)膜為一個(gè)凝膠相，其中電荷分布均勻、貢獻(xiàn)相同。固定電荷模型可以用于表征離子交換膜、荷電型反滲透膜和超濾膜內(nèi)的傳遞現(xiàn)象，描述膜濃差電位、膜的溶劑和電解質(zhì)滲透速率及其截留特性^［77］。

細(xì)孔模型基于著名的Stokes-Maxwell摩擦模型。Pappenheimer等在基于膜內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程的溶質(zhì)通量計(jì)算方程中引入立體阻礙（steric hindrance）影響因素。Renkin等認(rèn)為通過(guò)膜的微孔內(nèi)的溶質(zhì)傳遞包含擴(kuò)散流動(dòng)和對(duì)流流動(dòng)兩種類型，并相應(yīng)地建立了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)方程。后來(lái)Habeman、Sayer、Bohlin和Bean等在對(duì)上述方程進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，考慮了溶質(zhì)的空間位阻效應(yīng)和溶質(zhì)與孔壁之間的相互作用^［77］。

根據(jù)納濾膜的分離特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍主要為3個(gè)方面：①對(duì)單價(jià)鹽并不要求有很高的截留率；②欲實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)離子的分離；③欲實(shí)現(xiàn)不同分子量有機(jī)物的分離。近年來(lái)，我國(guó)膜技術(shù)在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用已有一些研究。蔡邦肖^［78］選用了不同性能的聚酰胺納濾膜，對(duì)藥廠提供的螺旋霉素進(jìn)行了分離和濃縮，在進(jìn)料流量55L/h、操作壓力1.5MPa條件下，所選用的膜對(duì)螺旋霉素幾乎全部截留，膜的滲透通量可高達(dá)30L/（cm²·h）。蘇鶴祥等^［79］等在國(guó)內(nèi)率先采用醋酸纖維素反滲透膜改性成納濾膜，對(duì)活性染料進(jìn)行提純和濃縮，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。在納濾膜分離過(guò)程中，無(wú)機(jī)鹽、水和低分子物透過(guò)膜被除去，而染料被截留得到純化和濃縮。該工藝不但提高了染料的強(qiáng)度、固色率，而且使染料的色光也得到了改善。在食品工業(yè)中，膜分離技術(shù)主要用來(lái)對(duì)料液進(jìn)行濃縮、脫鹽、脫色、調(diào)味和脫除雜質(zhì)。納濾膜可和超濾膜結(jié)合對(duì)橘子汁和洋李酸浸液進(jìn)行濃縮脫鹽。對(duì)洋李酸浸液，脫鹽率達(dá)54.5%，有機(jī)酸脫除率可達(dá)80%，自身可被濃縮到10倍以上^［80］。

三、特種膜分離技術(shù)

1.電滲析

電滲析技術(shù)是在直流電場(chǎng)的作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、精制或者提純的目的^［81］。電滲析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、造紙、紡織、輕工、制藥等工業(yè)廢水的處理以及許多其他的化工過(guò)程，其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并已經(jīng)發(fā)展成為一種新型的單元操作^{［82，83］}。

電滲析技術(shù)的技術(shù)原理（圖1-10）是將陰離子、陽(yáng)離子交換膜交替排列于正負(fù)電極之間，并用特制的隔板將其隔開(kāi)，組成除鹽（淡化）和濃縮兩個(gè)系統(tǒng)，在直流電場(chǎng)作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。電滲析技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)^［84］：①能量消耗低；②藥劑耗量少，環(huán)境污染小；③對(duì)原水含鹽量變化適應(yīng)性強(qiáng)；④操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化；⑤設(shè)備緊湊耐用，預(yù)處理簡(jiǎn)單；⑥水的利用率高。電滲析也有它自身的缺點(diǎn)：在運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生濃差極化而產(chǎn)生結(jié)垢；與反滲透（RO）相比，脫鹽率較低。

就過(guò)程基本原理而言，電滲析工程至少有以下4個(gè)方面的用途^［85］。

①?gòu)碾娊赓|(zhì)溶液中分離出部分離子，使電解質(zhì)溶液的濃度降低。例如，海水、苦咸水淡化制取飲用水與工業(yè)用水，工業(yè)用初級(jí)純水的制備，放射性廢水的處理等。這是目前電滲析技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。

②把溶液中部分電解質(zhì)離子轉(zhuǎn)移到另一溶液系統(tǒng)中去，并使其濃度增高。海水濃縮制鹽是這方面成功應(yīng)用的典型例子；又如化工產(chǎn)品的精制、工業(yè)殘液中有用成分的回收等也屬于這方面的應(yīng)用。

③從有機(jī)溶液中去除電解質(zhì)離子。目前主要用于食品和醫(yī)藥工業(yè)，在乳清脫鹽、糖類脫鹽和氨基酸精制中應(yīng)用得比較成功。

④電解質(zhì)溶液中，同電性但具有不同電荷離子的分離和同電性同電荷離子的分離。使用只允許一價(jià)離子透過(guò)的離子交換膜濃縮海水制鹽，是前者工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)例；后者因無(wú)實(shí)用的膜，目前尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例，處于研究開(kāi)發(fā)階段。

陳玉蓮等^［82］對(duì)含醛廢水進(jìn)行了研究，使乙酸得到了回收，實(shí)現(xiàn)了含醛乙酸廢水的綜合治理，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。國(guó)外也有人^［86］用此項(xiàng)技術(shù)回收廢水中的酸，其電流效率可達(dá)80%～90%。另外，電滲析對(duì)堿的回收也是非常有效的。如鋁制品行業(yè)每年排放的堿性廢水達(dá)2.10×10⁶m³，流失到環(huán)境的NaOH達(dá)8400t，中和要消耗10290t，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此要及時(shí)處理此類廢水。宋德政^［87］用電滲析做實(shí)驗(yàn)處理鋁制品漂洗廢水，證明對(duì)堿有良好的脫除效果。

脫鹽率是電滲析器的重要性能指標(biāo)，系統(tǒng)脫鹽率要以單臺(tái)或單級(jí)的脫鹽率為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如式（1-7）^［85］所列：

　　（1-7）

式中　ε——脫鹽率；

c_di、c_do——電滲析器進(jìn)口、出口濃度，取相同濃度單位。

電流效率是評(píng)價(jià)電滲析器性能的重要參數(shù)，一般表達(dá)式^［85］為：

　　（1-8）

式中　Q——淡水流量，L/s；

c_di、c_do——淡水系統(tǒng)進(jìn)、出電滲析器的濃度，N；

I——電流強(qiáng)度，A；

N——組裝膜對(duì)數(shù)；

F——法拉第常數(shù)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外部分應(yīng)用實(shí)例匯總的電滲析法處理效果及耗電數(shù)據(jù)列在表1-4^［85］中。

2.正滲透

正滲透（forward osmosis，F(xiàn)O）是一種自然界廣泛存在的物理現(xiàn)象，是指化學(xué)勢(shì)較高（或滲透壓較低）的一側(cè)原料液中的水，通過(guò)選擇透過(guò)性膜流向化學(xué)勢(shì)較低（或滲透壓較高）的一側(cè)汲取液的過(guò)程^［88］。正滲透過(guò)程不同于以外加壓力為驅(qū)動(dòng)力的反滲透，它是一種僅依靠化學(xué)位差作為推動(dòng)力，低能耗的膜分離過(guò)程。

提供化學(xué)位的體系為高滲透壓的溶液體系，即驅(qū)動(dòng)溶液。驅(qū)動(dòng)溶液由驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)和溶劑（一般為水）組成。理想的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)應(yīng)具備以下條件：無(wú)毒；分子量較小；在水中穩(wěn)定且具有較高的溶解度，從而產(chǎn)生較高的滲透壓；與正滲透膜化學(xué)相容，不改變膜材料的性能和結(jié)構(gòu)；能夠簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)地與水分離，能夠重復(fù)使用。已報(bào)道的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)材料有：鹽類，如NaCl、MgCl₂、Al₂（SO₄）₃、NH₄HCO₃；糖類，如葡萄糖、果糖等。驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的分離方法有滲透蒸餾、投加Ca（OH）₂、加熱、反滲透等。

正滲透過(guò)程的核心除了驅(qū)動(dòng)溶液外，還有正滲透膜材料。在正滲透技術(shù)中，半滲透膜是核心材料，具有親水性。膜分為致密層、多孔支撐層和網(wǎng)格支撐3層結(jié)構(gòu)。目前，最好的商業(yè)化正滲透膜材料是美國(guó)HTI公司的支撐型高強(qiáng)度膜，該膜的分離層材料為三乙酸纖維素（CTA）及其衍生物，沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的支撐層，而是將聚酯纖維嵌入無(wú)紡布中提供機(jī)械支撐。該膜對(duì)NaCl的截留率為90%左右。正滲透膜應(yīng)該具有以下特征：皮層孔隙率低、致密性高、親水性較好、水通量較高；支撐層盡量薄且孔隙率高；具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，截留率高；耐酸堿等化學(xué)腐蝕能力好，適用pH值范圍較寬^［89］。

正滲透體系相對(duì)于反滲透體系而言，具有一系列的優(yōu)勢(shì)^［90］：不需外界壓力作為推動(dòng)力，能耗低；膜材料自身親水性好，可以有效降低膜污染的可能性；正滲透過(guò)程回收率高，可實(shí)現(xiàn)濃鹽水“零”排放，是環(huán)境友好型技術(shù)，應(yīng)用廣泛；就海水脫鹽過(guò)程而言，通過(guò)選擇合適的驅(qū)動(dòng)溶液，其純水回收率可達(dá)到75%，而反滲透純水回收率僅為35%～50%。

近年來(lái)，能源和環(huán)境危機(jī)將正滲透推向舞臺(tái)，耶魯大學(xué)的研究人員^{［91～93］}利用HTI公司的正滲透膜材料開(kāi)發(fā)了一種新型的正滲透海水脫鹽系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)分成正滲透和驅(qū)動(dòng)液分離兩個(gè)相互耦合的過(guò)程：①在正滲透過(guò)程中，碳酸氫銨/氨水混合驅(qū)動(dòng)溶液將海水中的水“吸”過(guò)來(lái)；②將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液通過(guò)適度加熱（大約60℃）分解成氨和CO₂，并循環(huán)使用，得到純水。據(jù)報(bào)道，采用6mol/L銨鹽（滲透壓250×10⁵Pa）為驅(qū)動(dòng)溶液，結(jié)合HTI公司的正滲透膜，獲得水通量高達(dá)25L/（m²·h），鹽的截留率大于95%，整個(gè)正滲透過(guò)程電能消耗為0.25kW·h/m³，低于目前脫鹽技術(shù)的電能消耗。正滲透過(guò)程海水淡化比多級(jí)閃蒸節(jié)省能量85%，比反滲透節(jié)省能量72%。

正滲透技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于海水淡化領(lǐng)域。由于沒(méi)有外壓推動(dòng)，過(guò)程膜污染少，因此正滲透技術(shù)在污水的深度處理、液體食品的濃縮方面具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。最早關(guān)于應(yīng)用正滲透技術(shù)處理工業(yè)廢水的可行性研究報(bào)道發(fā)表于1974年^［94］和1977年^［95］，其目的是使用這種低能耗的過(guò)程處理微重金屬污染的工業(yè)廢水。他們采用序批式系統(tǒng)，以商業(yè)化的醋酸纖維反滲透膜為膜單元，以合成海水為汲取液，來(lái)濃縮含低濃度銅或鉻離子的水，具有一定的可行性。但由于膜通量非常低［0～4.5L/（m²·h）］，鹽的截留率也不太理想，因此沒(méi)有開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

1998年，Osmotek公司建立了一套中試規(guī)模的正滲透系統(tǒng)用于濃縮垃圾滲濾液^［96］。該系統(tǒng)采用Osmotek的CTA膜，以NaCl為汲取液，對(duì)污染物截留率高，出水產(chǎn)率可以達(dá)到94%～96%。并且在處理原垃圾滲濾液時(shí)，膜通量沒(méi)有明顯降低。在此基礎(chǔ)上，Osmotek公司建立了大型裝置處理垃圾滲濾液，平均產(chǎn)水率達(dá)到91.9%，最終出水平均電導(dǎo)率為35μS/cm，表明正滲透技術(shù)處理垃圾滲濾液是較理想的處理方法。采用正滲透系統(tǒng)處理污泥消化液的事例目前已有報(bào)道。

Holloway等^［97］設(shè)計(jì)了正滲透和反滲透組合系統(tǒng)處理污泥消化液。采用如下流程：污泥消化液先經(jīng)過(guò)150目格柵預(yù)處理，再經(jīng)過(guò)采用三醋酸纖維的正滲透膜，以NaCl為汲取液的正滲透系統(tǒng)，最后稀釋的汲取液通過(guò)反滲透系統(tǒng)獲得出水。由于系統(tǒng)很高的污泥濃度，在運(yùn)行過(guò)程中膜通量明顯下降，需要進(jìn)行膜清洗恢復(fù)膜通量。系統(tǒng)對(duì)磷酸鹽、氨氮和凱氏氮的截留率分別為99%、87%和92%，幾乎完全截留色度和惡臭物質(zhì)，濃縮干化的污泥消化液可用作肥料。

國(guó)內(nèi)在正滲透技術(shù)方面的研究仍處于初始階段，目前青島海洋大學(xué)和南京工業(yè)大學(xué)兩個(gè)研究小組在從事該方向的研究^［89］，研究重點(diǎn)是正滲透膜材料，包括醋酸纖維素類和界面聚合型復(fù)合膜。此外，在南京工業(yè)大學(xué)還開(kāi)展了新型驅(qū)動(dòng)溶液的研究，目的在于制備可以在低能耗條件下通過(guò)簡(jiǎn)單手段進(jìn)行分離而且循環(huán)使用的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)。在當(dāng)今環(huán)境和能源危機(jī)的情況下，由于正滲透技術(shù)的低能耗特點(diǎn)，其發(fā)展顯得尤為重要^［98］。

3.膜蒸餾

膜蒸餾（membrane distillation，MD）技術(shù)是采用疏水微孔膜，以膜兩側(cè)蒸汽壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的膜分離過(guò)程。其工作原理為^［99］：當(dāng)不同溫度的水溶液被疏水微孔膜分隔開(kāi)時(shí)，由于膜的疏水性，兩側(cè)的水溶液均不能透過(guò)膜孔進(jìn)入另一側(cè)，但是由于暖側(cè)水溶液與膜界面的蒸氣壓高于冷側(cè)，水蒸氣就會(huì)透過(guò)膜孔從暖側(cè)進(jìn)入冷側(cè)而冷凝。這與常規(guī)蒸餾中的蒸發(fā)、傳質(zhì)、冷凝過(guò)程十分相似，因此此種將膜技術(shù)與蒸發(fā)過(guò)程聯(lián)合起來(lái)的技術(shù)被稱為膜蒸餾技術(shù)。

膜蒸餾技術(shù)具有截留率高［理論上能達(dá)到100%（因?yàn)橹挥姓羝芡高^(guò)膜孔，所以蒸餾液十分純凈）］、操作壓力小（幾乎是在常壓下進(jìn)行）、溫度低（無(wú)需把溶液加熱到沸點(diǎn)，只要維持膜兩側(cè)適當(dāng)?shù)臏夭罴纯桑Ⅲw積小、可利用廢熱（工廠的余熱等）和自然能源（太陽(yáng)能、地?zé)帷厝龋┑葍?yōu)點(diǎn)^［99］。膜蒸餾是一個(gè)有相變的膜過(guò)程，氣化潛熱降低了熱能的利用率，而且膜蒸餾通量低、易污染是其主要缺點(diǎn)。因此在膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和膜材料的改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮潛熱的回收，盡可能地減少熱能的損耗。Dotremont等^［100］利用膜蒸餾技術(shù)淡化海水，若干年的中試結(jié)果表明，膜蒸餾工藝的通量提升到5L/（m²·h）以上，所需的熱能可以通過(guò)太陽(yáng)能和電廠的廢熱提供，可控制能耗＜500mJ/m³，熱能利用率＞80%，出水電導(dǎo)率＜20μS/cm。

目前膜蒸餾的研究對(duì)象僅僅限于水溶液，所以膜的疏水性和微孔性是膜蒸餾的必要條件。為了得到較高的通量和較高的溶質(zhì)截留系數(shù)，要求所用的疏水微孔膜具有盡可能大的孔徑，但兩側(cè)的液體又不能進(jìn)入膜孔。液體進(jìn)入膜孔的最低壓力可以用式（1-9）^［101］描述：

p=2γcosθ/R　　（1-9）

式中　γ——液體的表面張力；

θ——液體與膜的接觸角；

R——膜的孔半徑。

為了保證在操作壓力下液體不進(jìn)入膜孔，所用的膜就必須有足夠的疏水性和合適的孔徑。經(jīng)研究證明，當(dāng)采用膜的疏水性足夠好時(shí)，膜的孔隙率在60%～80%、孔徑在0.1～0.5μm較為合適。為了制備疏水性的膜，常采用的疏水性高分子材料有聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚偏四氟乙烯（PVDF）等。但與親水性膜相比，材料品種和制膜工藝都十分有限，研究者們嘗試采用改性的方法，以期拓寬疏水微孔膜的來(lái)源，并取得了一定的進(jìn)展。Chung等^［102］通過(guò)對(duì)中空纖維膜絲結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，試圖將膜通量提高。在膜制備過(guò)程中混入乙二醇、PTFE顆粒、黏土顆粒等添加劑，制備單層非對(duì)稱的PVDF膜，極大地提高了膜的孔隙率；另外，制備的雙層（外表面疏水、內(nèi)表面親水）膜，在80℃下膜通量可達(dá)到40～50L/（m²·h）。

4.膜結(jié)晶

膜結(jié)晶技術(shù)是膜蒸餾與結(jié)晶兩種分離技術(shù)的耦合過(guò)程，其原理是通過(guò)膜蒸餾脫除溶液中的溶劑濃縮溶液，使溶液達(dá)到飽和或過(guò)飽和，然后在晶核存在或加入沉淀劑的條件下，使溶質(zhì)結(jié)晶。膜蒸餾技術(shù)自1963年報(bào)道以來(lái)，經(jīng)過(guò)了50年的發(fā)展已日趨成熟，并在海水淡化、超純水的制備、溶液的濃縮與提純、廢水的處理、共沸混合物及有機(jī)溶液的分離、果汁與蔬菜汁濃縮和中藥濃縮方面得以應(yīng)用^［99］。

膜結(jié)晶具有高單位傳質(zhì)面積、可控的過(guò)飽和條件、較短的結(jié)晶過(guò)程、能通過(guò)選擇合適的膜材料影響結(jié)晶成核條件等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)使得鹽在非均相條件下成核，不受濃差極化的影響，能同時(shí)回收RO/NF膜產(chǎn)生的濃水中有價(jià)值的鹽類和淡水。Macedonio等^［103］將膜結(jié)晶和NF/RO膜技術(shù)結(jié)合起來(lái)處理海水，可達(dá)到近95%的淡水產(chǎn)率，濃水中鹽的產(chǎn)量約為20kg/m³。同時(shí)通過(guò)回收析出的晶體、控制液體溫度等手段，防止了鹽在膜表面和膜孔內(nèi)結(jié)晶。NF膜的截留液中殘存的有機(jī)物（如腐殖質(zhì)等）對(duì)膜結(jié)晶過(guò)程和膜污染的影響較大，腐殖質(zhì)類物質(zhì)會(huì)抑制晶體的析出和生長(zhǎng)。