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1、第31卷第6期膜科学与技术Vol.31No.62011年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYDec.2011正渗透的机理*方彦彦,田野,王晓琳(清华大学化学工程系化学工程联合国家重点实验室,北京100084)摘要:正渗透技术是一种新兴的利用渗透原理的膜分离技术,能自发进行,无需外加压力即可实现,为水资源和环境问题提供了低能耗、高效率的解决途径.近年来正渗透技术在国际上得到了广泛的重视,相关的研究正快速发展.文章详细总结了正渗透机理方面的研究进展,深入分析了正渗透的整个动力学过程,为正渗透膜的设计和制备与驱动溶质的选择和开发提供了理论基础.关键词:正渗透;渗透压;机理;
2、膜中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1007-8924(2011)06-0095-06正渗透(Forwardosmosis,FO)又称渗透,是指表现出来.水或其它溶剂透过天然或人造的半透膜,由低溶质从1748年法国人AbbleNollot发现渗透现[1]浓度侧传递到高溶质浓度侧的过程,是自然界中广象开始,渗透现象就引起了人们的极大兴趣.18泛存在的一种物理现象.正渗透过程无需外加压力世纪70年代,德国植物学家Preffer用Cu2Fe-即可实现,具有能耗低和抗污染等特点,应用前景十(CN)6和带孔的陶瓷制得了第一张有效的人工半透[2]分广阔.近年来,正渗透技术在国内外正受到越来
3、越膜,并采用该半透膜测定了稀蔗糖溶液的渗透压.多的关注和重视,相关的研究和应用快速发展.根据Preffer的观测数据,Van’tHoff发现稀蔗糖正渗透机理是正渗透技术研究和发展的基础,溶液的渗透压与蔗糖的浓度成正比,比例常数接近[3]对正渗透机理的研究有助于阐释生命过程中普遍存于RT,并由此提出了著名的Van’tHoff方程:在的渗透现象,有助于探求水分子在正渗透纳米孔Π=RTcs道内的运动过程,最终有助于指导正渗透膜的制备式中,cs为溶质的摩尔浓度.和驱动溶液体系的开发,具有十分重要的意义.在考虑溶质的解离后,该方程很快被拓展到稀[4]本文针对近年来正渗透技术研究的现状,着重电解质溶液领域
4、.对于较稀的溶液,Van’tHoff总结渗透机理方面的研究.正渗透的机理研究主要方程一般都能很好地预测溶液的渗透压,但是对于集中在对渗透压的理解以及水分子通过膜的过程的浓度较高的溶液,Van’tHoff方程的预测结果往往探索,以下将分别就这两个方面进行阐述.不好.图1为常见电解质在25℃下的渗透压,从图1可以看出,常见的几种电解质(尤其是MgCl2)溶1渗透压液的渗透压在浓度较高时与Van’tHoff方程预测渗透压是在渗透过程中,为达到渗透平衡在溶的预测结果存在明显的偏差.液一侧额外增加的压力.正渗透技术的推动力来自为了描述溶液的非理想性,考虑到渗透压和蒸[8]于膜两侧溶液的渗透压差或溶剂的化
5、学势差.当渗汽压的相似性,可以认为每个溶质分子绑定了一透平衡时,溶剂的化学势差可通过渗透压差的形式定数量(α)的溶剂分子,使得自由活动的溶剂分子数收稿日期:2010-09-29;修改稿收到日期:2011-02-23基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2009CB623404);国家高技术研究发展计划(863)项目(2009AA062901);北京市自然科学基金资助项目(210001)作者简介:方彦彦(1987-),男,博士生,从事正渗透过程及应用研究.*联系人〈xl-wang@tsingua.edu.cn〉96膜科学与技术第31卷将逐渐达到平衡.因此,即使溶质撞击假说是正确[13
6、]的,也很难观测到膜的位置偏移.此后,人们又尝试提出了其它的理论试图解释渗透压的机理,但始终未得到满意的答案.究其原因,“渗透压”是人类在对渗透现象的认识过程中,对渗透平衡时半透膜两侧表现出的静水压力差这个感性经验的一个直接概括.渗透压之所以被称之为渗透“压”,是因为在渗透平衡时半透膜两侧的溶剂的化学势差异通过静水“压力”的形式表现出来.从这个意义上说,是因为“渗透”平衡时表现出了“渗透a.NaCl,b.KCl,c.KNO3,d.MgCl2压”,而不是“渗透压”导致了“渗透”.所以,对渗透机图1常见电解质在25℃下的渗透压理的研究从渗透压转移到了渗透过程本身.尽管如随浓度的变化关系[5-7]此
7、,渗透压及其机理作为早期对渗透现象研究的主Fig.1Osmoticpressureasafunctionof要内容,为渗透过程的后续研究打下了坚实的基础.solutionconcentrationat25℃[9]2渗透过程量变少.引入参数α后,通过理论计算得到的葡萄糖溶液的渗透压与实验值吻合较好,而活度概念提渗透过程,实质上就是水分子透过半透膜的过出后,渗透压可通过热力学平衡,采用活度进行表程.由
