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正向渗透应用于废水处理：综述

摘要

正向渗透（FO）膜技术领域的研究在过去的10年中已经有了显着的发展，但其在废水处理中的应用却越来越少。饮用水正变得越来越边缘化。用饮用水代替替代水源，特别是用于工业过程，可以缓解全球水资源压力。fo依赖于膜上的渗透压差来自饲料中提取清洁的水，然而FO步骤仍然主要被视为“预处理”过程。为了提高FO废水的可行性，重点在于新的膜开发，提取废水处理和能量回收的解决方案以及运行条件。优化这些参数对于减轻结垢，降低浓度极化和提高FO性能至关重要;所有问题都彼此密切相关本文通过讨论废水处理领域FO技术的当前新颖性，瓶颈和未来前景，试图确定FO在污水处理和水回收方面达到全面潜力所需的步骤。

引言

饮用水主要来自安全的水源，

• 1. 地下水，但由于人口增长和经济发展，含水层的开采和地下水位下降削弱了淡水资源。因此，不可持续地将饮用水用于营养以外的目的，即工业过程，是非常令人关注的问题。可能的替代来源是废水。通过微滤（MF），超滤（UF），纳滤（NF）或反渗透（RO），可以生产高质量的水。表1中提供了此类应用的重要示例。

前渗透（FO）是一种替代膜过程，也具有处理废水，生产高质量水的潜力。FO是描述渗透的自然现象的技术术语：水分子穿过半透膜的运输。与压力驱动的膜过程相反，渗透压差是水输送的驱动力。

尽管自18世纪以来已有超过1000种FO出版物（Alsvik和Hagg，2013; Qin等，2012），但该领域的研究自2005年以来已显着增长（图1）。专门针对FO工艺定制的膜的商业化引发了越来越多的兴趣。最近在阿曼建成并运营了第一个商业FO海水淡化设施（200米3/天），使FO技术更加切实可行（2012b）。

在过去10年中产生的FO文献中，大约7％使用复杂水域。尽管如此，废水处理的增长正在稳步增长。最终，围绕FO处理复杂饲料的动机是由于其优于现有技术的潜在优势：

• • 1. FO拒绝颗粒，病原体和新兴物质（Cartinella等，2006; Cath等，2005a; York等，1999），证明了高盐拒绝，与正常处理设施不同，有效地去除了总溶解固体（TDS）。复杂的解决方案（Cath et al。，2006; Coday et al。，2014），由于其平均孔半径为0.25e0.37 nm（Fang et al。，2014; Xie et al。，2012）
    2. 由于缺乏高水压，既不需要相同的能量输入也不需要高强度材料（Klaysom等，2013; Thompson和Nicoll，2011）。在需要恢复的一次性FO系统中不必要的，FO将比RO更节能，从而可以在电力供应受限的地区使用（Coday等，2014）。
    3. 在处理复杂饲料时，广泛的FO预处理系统可能是多余的，但取决于FO性能和膜设计。相反，RO和NF易受污染，需要预处理以延长寿命并降低成本（Kim等，2011; Sutzkover-Gutman和Hasson，2010）。
    4. FO在高污染水域的耐久性，可靠性和水质方面表现出色，例如Hydropack紧急供应产品（HTI）。
    5. 由于以下原因，FO具有灵活性和适用性：a）膜系统的可扩展性（Schrier，2012）;b）与RO相比，减少了污垢倾向（Achilli等人，2009; Lee等人，2010）和简单清洁（Hoover等人，2011; Lutchmiah等人，2011）。
    6. FO可用于脱水饲料（Petrotos和Lazarides，2001; Zhu等，2012），对废水的有效厌氧消化有用，比传统的脱水处理更简单，更环保，效率更高（Chung et al。，2012b） ）。
    7. 高盐水流gt; 83 bar可通过FO处理，而不是通过RO处理（Hydranautics，2014）。

O可以被设计和适用于处理许多复杂的饲料类型，包括：复杂的工业流，即来自纺织工业，石油和天然气井压裂（Anderson，1977; Coday等，2014; Said，2011; Votta等， 1974; Zhang等，2014b），垃圾渗滤液（York等，1999），营养丰富的液体流（浓缩物）（Holloway等，2007）;活性污泥（Cornelissen等，2011b，2008）;来自市政污水的废水（Lutchmiah等，2011; Valladares Linares等，2013a），模拟废水（Beaudry和Herron，1997; Cartinella等，2006; Cath等，2005b，a; Su等。，2012）甚至提到了核废水（Zhao et al。，2012）。

FO的缺点包括闭环系统的回收步骤，低水通量（Seppauml;lauml;和Lampinen，2004）和反向溶质泄漏（Hancock和Cath，2009）。后者增加了运营成本并降低了驱动力。废水预处理的潜在需求也是不利的，但并不仅限于FO。此外，痕量有机污染物（TrOCs）的不完全排斥仍然是一个问题，但取决于采用的恢复系统（DHaese等，2013）。另外，膜两侧的盐溶液可能加剧浓差极化（CP）。

在水再利用企业的快速增长和扩张的刺激下，这项审查试图确定FO进行全面废水处理和水回收所需的步骤。

图1自2005年以来的FO出版物增长（ACS，ScienceDirect）

2.FO膜

最近的一些评论集中在FO膜的发展上（Alsvik和Hagg，2013; Klaysom等，2013; Wang等，2014）。该评论仅突出了对废水应用重要的研究结果。在1960年代开发的第一个不对称醋酸纤维素（CA）RO膜（Loeb，1981）最初用于FO，但由于固有的运输限制被认为是无效的。由于疏水性和相对厚的支撑层（SLw150mm），其他RO膜也没有在FO中显示出令人信服的结果（McCutcheon和Elimelech，2008）。厚SL导致渗透驱动的膜过程的性能差，这主要与浓差极化（CP）有关。存在内部CP（ICP）和外部CP（ECP）。CP由通量，排斥和扩散之间的平衡引起，并且降低通量和膜选择性（固有的膜选择性保持不变）。ICP是FO专有的并且通常发生在膜的多孔SL内，而ECP存在于致密有源层（AL）的表面。FO的突破来自于HTI开发的薄FO定制CTA膜（w50 mm），通过降低ICP可以获得更高的通量（McCutcheon等，2005; Mi和Elimelech，2008）。然而，ICP仍然是FO的问题，也是进一步开发膜的主要动力。更具体地，对于废水处理，需要更加警惕地解决FO膜污染倾向。此外，理想的FO膜必须允许水快速输送到拉伸侧，理想的是在拉伸和进料溶液之间没有溶质迁移，特别是在闭环应用中。因此，用于废水应用的所需FO膜特性需要：

一个致密，超薄，有源隔离层，用于高溶质抑制;

开放，薄（尽可能），亲水SL，具有高机械稳定性，可长期保持运行降低ICP;

对水的亲和力（亲水性）高，增强通量，降低污垢倾向。

这些领域取得了重大进展，新的商业FO膜组件已经上市，很快就会出现（Coday等，2014; Klaysom等，2013）。普通螺旋缠绕FO（SWFO）元件的尺寸可以在表2中找到。

2.1膜材料

不同的材料用于FO膜（Klaysom等，2013）。广泛使用的三乙酸纤维素（CTA）膜（HTI）对氯具有高度耐受性（Lior等人，2013），并且（大部分）不易吸附矿物油和脂肪油，包括石油。CTA对热，化学和生物降解不太敏感（Mulder，1996），在碱性条件下水解比纤维素水解，但在恶劣环境（即废水）中水解可能仍然是一个问题。据报道，用于FO的新一代商用薄膜复合C）膜在渗透性和更广泛的pH范围内的稳定性方面优于CTA（Klaysom等人，2013）（2e12与CTA的3e8），承受PRO（2012a）所要求的高压。

对膜污染的敏感性也取决于材料。通常，亲水性膜，例如CA / CTA比疏水性膜更不易于吸收污垢（Thorsen，2004），使得它们更适合于处理重型废水。TFC-聚酰胺（PA）膜（HTI）的表层有意地以低接触角开发，以增加生物污损性（2012c）。此外，SL的疏水性在通量方面也很重要;亲水性SL通过增加SL内小孔的润湿性来改善水通量并降低ICP（McCutcheon和Elimelech，2008）。

Alsvik和Hagg（2013）概述了用于FO膜制备的新方法和材料，显示膜材料已超越传统的CTA和TFC-PA /聚砜膜。新型FO R＆D膜，专门用于废水处理，近年来已经显示出很大的前景。现在使用的材料包括亲水性CA，具有增加的抗污性（Zhang等人，2010）。新的CA制造方法允许添加成孔剂和退火以改善助熔剂和盐排斥（Sairam等，2011）。具有致密外皮的双层CA膜也已经进化（Su等人，2012; Wang等人，2010a; Zhang等人，2010），显示了废水回收的潜力。

还使用了诸如强和温度稳定的热塑性聚合物之类的材料;聚苯并咪唑（PBI）能够在水溶液中自充电，导致高盐拒绝，高表面亲水性和低污染倾向（Wang et al。，2009）;聚酰胺 - 酰亚胺（PAI）为通过膜的盐转移提供阳离子和阴离子排斥（Setiawan等，2011），并且可以产生类似NF的选择性层（Qiu等，2012）;纳米多孔聚醚砜（PES）具有松散的指状支撑结构和纳米尺寸的孔隙，可以减少ICP（Yu et al。，2011）;聚砜，主要用作TFC膜中的SL（Tiraferri等，2011; Wei等，2011; Yin Yip等，2010），尽管其疏水性（限制通量）;用于TFC-FO膜的聚合物与聚丙烯腈（PAN）的共混物显示出优于商业FO膜的改进（Bui等人，2011; Bui和McCutcheon，2013; Qiu等人，2011）;和亲水性聚多巴胺（PDA）增加抗污染性（Arena等，2011）。

2.2膜发育

用于开发膜的技术强烈影响膜行为和过滤效率。通常，常规的相转化用于生产FO膜，重点在于在不对称膜的顶部形成致密的选择性层（Klaysom等，2013）。

各种论文详细阐述了新的设计技术和膜形成机制，以优化特定的参数。这些包括：1）通过使膜表面功能化和/或在聚合物中嵌入官能化的纳米颗粒来定制膜表面以减少结垢并改善水通量（Tiraferri等人，2012）;2）重新设计支撑结构以承受应力（Alsvik和Hagg，2013），3）添加电纺纳米纤维以增加机械强度（Hoover等，2011）或4）采用先进的共挤技术实现机械稳定性和高功率密度（Zhang et al。，2014a）。所测试的许多材料和制造方法显示了定制FO的潜力，无论应用如何，都可以增加膜的性能。

2.3膜取向

大多数FO膜具有不对称结构，具有两个不同的层;AL和SL。AL通常是致密的选择性层，而多孔SL提供机械支撑。由于这种不对称性，这些FO膜可以定位在AL面向i）

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