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正渗透用于海水淡化的研究综述
摘要：
正渗透（FO）是一种新兴的节能型的淡水生产技术。它利用膜两侧的渗透压差使水分子穿越半透膜。尽管已经有了许多关于正渗透的研究成果，这门技术仍存在许多的限制与挑战。近年来随着环境与能源问题愈演愈烈，正渗透受到了世界范围的广泛关注。与传统膜技术相比，正渗透有许多显著的优点，如低压与低温的操作环境、可逆的膜污染以及较低的耗能。
本文的目的是提供关于正渗透物理原理、研究进展和实际应用的综述。此外，文中也对正渗透用于海水淡化中的优势和缺陷，以及未来的发展进行了讨论。

1. 引言
随着人口的增长、工业化的推进、农业活动的扩展、水资源的供需不平衡以及不合理利用，水资源短缺已经成为一个全球化的危机并且受到科学界的广泛关注 [1-8]。最近的数据显示世界上大约15%的人存在饮用水危机，36%的人每年至少一个月内水资源短缺 [9]。在上个世纪，水资源需求量的增长速度达到了人口增长速度的两倍 [10]。实际上，统计预测显示到2025年全球将有三分之二的人面临用水压力。这不仅会影响到社会经济的发展，也会对我们的生态健康造成威胁 [1，11]。
为了满足全球的淡水需求，人们将焦点集中在了海水淡化上。然而，由于水处理过程与能量的相互关联，传统的海水淡化工艺诸如多级闪蒸和反渗透等往往存在着能耗高和成本昂贵的问题 [12-15]。因此，科学家们始终在寻找节能和低价的海水淡化技术。在前十年里，很多研究者认为正渗透（FO）的开发利用可以解决传统淡化技术所存在的上述问题 [18-21]。除了海水淡化，FO还可用于废水处理 [21-22]，食品加工 [39-40]和发电过程 [45-46]。
这篇文章概述了FO的物理原理以及提取液和正渗透膜的研究进展。另外，FO应用于海水淡化中的优越性、缺陷、挑战以及未来的发展方向也在讨论的范围之内。

2. 正渗透概述
2.1 物理概念和现象
渗透的概念很早已被人类社会认识到，而正渗透可以被看作在渗透压差驱动下水分子穿过一张半透膜的现象。这张半透膜只能允许水透过，而其它的溶质则无法穿透。膜的两侧分别是具有较低水化学势的提取液（高渗透压）和具有较高水化学势的料液或海水（低渗透压）。根据热力学第二定律，水分子将从料液处移动到提取液中，使两侧的水化学势平衡。
随着正渗透过程的推进，料液逐渐被浓缩而提取液则被稀释。接着一种能耗较低的分离技术将被用来从料液中回收水分子。与反渗透不同的是，正渗透不需要额外施加高压来克服料液的渗透压，相反正渗透正是充分利用了膜两侧的自然压差来驱动水分子。两者的不同处可见图1。

Fig.1 (a),(b) refer to FO, while (c),(d) refer to RO

2.2 正渗透的优势
正渗透具有一系列的潜在优势。首先，低压甚至无外加压力的操作环境意味着正渗透的能耗比传统的淡化技术要低 [63]。另外，正渗透过程中造成的膜污染较少并且可逆、料液中的盐分截留率很高并且料液组分的变化对整个过程影响很小 [65，66，67]。与此同时，由于膜两侧的高渗透压差，正渗透可以获得更高的水通量以及水回收率，从而减少废液的排放 [20，21]。总之，正渗透是一种有前景并且经济可行的淡水化处理技术。

3. 正渗透模型
3.1 渗透压计算
由于渗透压梯度是正渗透唯一的驱动力，其渗透压的计算也尤为重要。van't Hoff 方程可用于计算稀溶液的渗透压 [73]：

π=MRT （1）

式中M是溶质的摩尔浓度，R是普适气体常数，T是绝对温度。如果溶质是一种强电解质并且在水中完全解离，此时方程变为 [74]：

π= （2）

式中m是1摩尔溶质所包含的离子数，x1是溶质的摩尔分数，V2时水的摩尔体积。考虑到料液和提取液都不是理想溶液，可用下式来计算溶液的渗透压 [73]：

π=ϕMRT （3）

式中ϕ是渗透压常数。而根据统计热力学，可以得到更准确的表达式 [73]：

π/ckT=1+Bc+Cc2+Dc3+........ （4）

式中k是玻尔兹曼常数，B C D....是维里常数，c是溶质的分子数密度，由下式决定，NA是阿伏伽德罗常数，M是溶质的摩尔浓度 [73]：

c=NAM （5）

3.2 水通量模型
在正渗透、反渗透以及压力阻尼渗透中计算水通量的方程可概括为 [20]：

Jw=A(σ∆π - ∆P) （6）

式中Jw是水通量，A是膜的水渗透常数，σ是反射系数，∆π是膜两侧渗透压差，∆P则是外部施加的液压差。其中(σ∆π - ∆P)表示的是膜两侧对水分子产生的实际驱动力。由于在正渗透中没有外部压差，渗透压差是唯一的驱动力，（6）式可变为：

Jw = Aσ∆π = Aσ(πdraw,b - πfeed,b) （7）

式中πfeed,b是料液的主体渗透压，而πdraw,b是提取液的主体渗透压。方程（7）成立的前提是膜不允许溶质的渗透。
Loeb等人找到一种可用于计算正渗透中水通量的关系式 [81]。这个关系式来源于Lee等人建立的模型，并且假设膜两侧主体的渗透压差是唯一驱动力 [50]。当水通量较小时，方程较为适用，可表示为：

Jw = ln () （8）

式中K是半透膜的多孔支撑层中溶质的扩散阻力，πdraw和πfeed分别是提取液和料液的主体渗透压。K的值可由下式计算 [20]：

K = = （9）

式中t是膜的厚度，τ是曲率，ε是膜的孔隙率，S是膜的结构参数，D则是溶质的扩散系数。