1.1背景

近几年来，由于人口数量不断增加，人们的生活水平不断提高，导致人们对淡水资源的需求显著提高。据报道，世界上大部分的人都缺乏干净健康的饮用水，而很多不发达的国家一直有水资源短缺的压力。尽管淡水遍及地下岩石土壤和大气、河流和湖泊、雪山和冰川当中，但是淡水占水资源的比例很小。地球表面的总水量有97.3%为海水，而其中只有含盐量低于500mg/L的水才是可饮用的，淡水资源的日益紧张使得越来越多的人研究如何找到有效的方法将盐从海水和苦咸水中移除，这些统称为脱盐过程^[1]。海水的脱盐过程有希望被用于弥补饮用水的缺乏。因此，越来越多的国家和地区选择大力发展海水淡化技术，而新型海水淡化技术为人们解决淡水资源的危机提供了方向。

膜分离技术是一种高效的、先进的新型分离技术，它在工业、农业等领域具有广阔的应用前景。而在过去的几十年中，微滤、纳滤、超滤、反渗透和电渗析等膜分离过程逐渐被人们所熟知，已成为水处理领域不可或缺的重要方法^[2]。可与大多数的分离方法一样，评判膜分离过程的经济性和商业价值主要取决于能耗的高低，而正渗透 (Forward Osmosis, FO)过程不仅能耗低，而且对膜而言，抗污染性能较强，方便清洗和易回收。它是针对海水淡化和废水处理的最有效的手段之一。

1.2正渗透技术简介

1.2.1正渗透的基本原理

正渗透是指水分子或其他溶剂由于膜两侧渗透压差不同，自发的从低压侧渗透到高压侧，其中穿过了选择性透过膜，此膜只允许水通过，不允许其他溶质或大分子通过。

1.2.2正渗透膜

正渗透膜是一种选择性透过膜，有原料液（Feed Solution，FS）和汲取液（Draw Solution，DS）分别在膜的两侧。在海水淡化的脱盐过程中海水是原液，而汲取液是别的物质，但这种物质的渗透压要比海水的渗透压高，利用膜两侧的渗透压差作为推动力，促使海水侧的水分子自发的穿过正渗透膜到汲取液侧。最后通过一系列的方法使汲取液与水得以分离，最终得到淡水。

FS

DS

图1-1 正渗透工作原理

Fig. 1-1 The principle of Forward osmosis work

如图1-1 是正渗透的工作原理图。正渗透的水通量方程为：

(1-1)

式中， #8212;水通量 、 A#8212;水渗透性常数

#8212;反射系数、 #8212;渗透压差 (Pa)、#8212;外加压力 (Pa)。

正渗透是根据膜两侧渗透压差进行的，因此外加压力为0，即。

1.2.3正渗透膜的特点

根据目前已投入使用的正渗透膜，我们可以看出优良的正渗透膜应具备以下几个特点：（1）有较为致密的活性皮层，这是为了能够有较高的盐的截留率，并且防止汲取液进入原料液；（2）正渗透的膜一定要够薄，而且支撑层的孔隙率不能太高，这是为了使正渗透膜有较高的通量，并且减小支撑层的内浓差极化；（3）正渗透膜的膜材料要足够亲水，这样可以提高膜的纯水通量，并有效改善膜的防污能力；（4）正渗透膜的机械强度要够强；（5）正渗透膜不能和汲取液发生物理或者化学反应，对汲取液有较强的稳定性^[3]。

最近这几年，在商业中使用的正渗透膜主要是薄层复合膜，它主要是由多孔支撑层和活性皮层构成。根据阻力串联模型，膜的阻力大小取决于这两部分的阻力的和，所以活性皮层和支撑体的结构和性质对正渗透膜的性能有重要影响^[3]。

多孔支撑层

活性皮层

图1-2 正渗透膜的结构示意图

Fig. 1-2 The structure diagram of Forward osmosis membrane

1.3混合基质膜的制备方法

混合基质膜（Mixed Matrix Membranes）是指通过将无机纳米材料作为分散相填充于聚合物连续相中制备得到的复合膜。纳米颗粒是指纳米量级的微观颗粒，由于纳米颗粒的比表面积和表面原子数随着粒径的降低而急剧增大，使得纳米材料具备了一般固体不具备的表面效应等性质。通过研究证明，将纳米材料与聚合物进行复合后，可有效的改善聚合物材料的相关性能。因此这是制备高性能混合基质膜的有效方法之一。

混合基质膜兼具了有机物与无机纳米颗粒两者各自的优点，通过向聚合物分子链中掺入无机纳米颗粒，改善其本身的网络结构，将无机纳米材料的耐热性、化学稳定性和刚性与聚合物的低成本相结合，增强了复合膜的机械性能、热稳定性和抗污染性，使得膜的选择渗透性和分离性能大大提高^[4]。常见的混合基质膜的制备方法如下所示。

（1）溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是用含高化学活性组分的化合物作为前驱体，在液相下将这些原料混合均匀后，并进行水解、缩合等一系列化学反应。使其在溶液中能够形成稳定的均一尺寸的透明溶胶液体系，溶胶再经过陈化，胶粒间缓慢聚合后形成三维空间网络结构的凝胶，空间中充满那些失去流动性的溶剂就是凝胶^[5]。凝胶经过低温干燥后成为一种多孔空间结构的干凝胶或气凝胶。最后烧结固化后制备出致密的氧化物材料。

（2）自组装技术

自组装技术是近几年来逐渐兴起的制备共混膜的方法之一。因为一般情况下，大多数体系的自由能都是自发的朝着自由能减小的方向进行，所以该方法利用具有亲疏水端的分子能够在气液两相界面上的定向生长的性质，使其在有机相和无机相之间形成共价键或配位键等化学键。一般用于超薄有机膜与纳米微粒交替的有机一无机共混膜的制备^[6]。但该方法在操作流程和结构控制上都比较复杂，限制了该方法的实际应用。

（3）原位聚合法

原位聚合主要是将纳米粒子掺入到聚合物单体溶液中，使其分散均匀，并在一定条件下聚合形成纳米复合材料。考虑到聚合体系和聚合机理的不同，常见的聚合方式主要可以分为以下几种：悬浮聚合、分散聚合和乳液聚合，乳液聚合包括物皂乳液聚合、种子聚合等。它是利用聚合物独特的官能团对金属离子进行络合吸附、基体对反应物存在运动空间位阻或基体提供了纳米级的空间限制，通过原位反应制备出纳米共混膜^[7]。这种方法的优点是聚合物溶液中纳米粒子能够分散均匀。但它的缺陷就是某些纳米粒子或纳米粒子的表面改性剂在聚合过程中可能会产生消极影响，如阻聚或发生副反应。

（4）热喷射涂膜

热喷射涂膜法是根据金属热喷射技术发展起来的，主要用于负载型共混膜材料的制备。它的工作原理是：在高温高压或者高温常压的条件下，通过将前驱体溶液或溶胶喷射沉积在基底上制备出共混膜。该方法的优点是材质均匀、可以较好的掌握膜的厚度。

（5）插层复合法

插层复合法主要是将聚合物熔体或溶液和具有层状结构的无机物复合，通常用于粘土类复合材料的制备。常用的方法有：插入插层剂、采用聚合物熔体、溶液或乳液进行插层等。例如将长链脂肪盐穿插到粘土的片层间，得到插层的复合物。当无机物和聚合物溶液分散混合均匀后，经过成膜、热处理等一系列操作过程，制备出透明的粘土/有机聚合物复合膜^[8]。

（6）共混法

共混法是将无机纳米粒子与聚合物直接机械混合，从而得到共混膜。它与聚合物的共混改性相似，是制备共混膜最高效和最简洁的方法之一，对于大多数的无机物都适用。共混法主要有以下几类：溶液共混、悬浮液或乳液共混、熔融共混等。制备聚合物/纳米材料共混膜采用的是溶液共混法，通过将无机纳米粒子添加到聚合物溶液中，利用搅拌超声等方法使其均匀分散，最后除去溶剂制备出共混膜。

该方法操作方便、工艺简单，容易实现工业化，但相对而言，它还不能使纳米粒子在聚合物溶液中得到纳米级分散。不过目前采用对纳米粒子的表面改性或者选择合适的加工工艺，从而使纳米粒子在聚合物溶液中达到纳米级分散^[9]。

本课题选用聚醚砜（PES）为聚合膜材料，纳米级的蛭石作为无机颗粒物，采用溶液共混法制备混合基质膜。由于聚醚砜分子同时具有苯环、醚键和砜基，与整个结构单元形成大共轭体系（见图1-3），具有良好的化学稳定性、机械强度和热稳定性^[10]。

O

O

O

S

O

图1-3 聚醚砜的化学结构

Fig. 1-3 The chemical structure of polyether sulfone

聚醚砜是一种综合性能十分优异的高分子材料，也是常用的膜材料之一。聚醚砜是一种弱极性的疏水材料，而在海水淡化和废水处理中，大多数污染物都是疏水性物质，根据相似相溶的原理，导致聚醚砜膜在应用过程中，极易被污染，导致其性能降低，使用周期下降。因此，对于PES膜进行亲水改性是不可避免的^[11]。

天然产出的蛭石是含有蛭石晶层的层状硅酸盐，这种特殊的结构导致其具有加热膨胀性、阳离子交换性和良好的吸附性。因此不管是在工业还是农业上的应用都十分广泛。蛭石是一种三八面体或二八面体铝硅酸盐，它的结构单元层为2:1型，层间具有水分子和可交换的阳离子。具体结构如图1-4所示^[12]。

图1-4蛭石晶体结构示意图

Fig. 1-4 Structure diagram of vermiculite crystal

参考文献

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1.1背景

近几年来，由于人口数量不断增加，人们的生活水平不断提高，导致人们对淡水资源的需求显著提高。据报道，世界上大部分的人都缺乏干净健康的饮用水，而很多不发达的国家一直有水资源短缺的压力。尽管淡水遍及地下岩石土壤和大气、河流和湖泊、雪山和冰川当中，但是淡水占水资源的比例很小。地球表面的总水量有97.3%为海水，而其中只有含盐量低于500mg/L的水才是可饮用的，淡水资源的日益紧张使得越来越多的人研究如何找到有效的方法将盐从海水和苦咸水中移除，这些统称为脱盐过程^[1]。海水的脱盐过程有希望被用于弥补饮用水的缺乏。因此，越来越多的国家和地区选择大力发展海水淡化技术，而新型海水淡化技术为人们解决淡水资源的危机提供了方向。

膜分离技术是一种高效的、先进的新型分离技术，它在工业、农业等领域具有广阔的应用前景。而在过去的几十年中，微滤、纳滤、超滤、反渗透和电渗析等膜分离过程逐渐被人们所熟知，已成为水处理领域不可或缺的重要方法^[2]。可与大多数的分离方法一样，评判膜分离过程的经济性和商业价值主要取决于能耗的高低，而正渗透 (Forward Osmosis, FO)过程不仅能耗低，而且对膜而言，抗污染性能较强，方便清洗和易回收。它是针对海水淡化和废水处理的最有效的手段之一。

1.2正渗透技术简介

1.2.1正渗透的基本原理

正渗透是指水分子或其他溶剂由于膜两侧渗透压差不同，自发的从低压侧渗透到高压侧，其中穿过了选择性透过膜，此膜只允许水通过，不允许其他溶质或大分子通过。

1.2.2正渗透膜

正渗透膜是一种选择性透过膜，有原料液（Feed Solution，FS）和汲取液（Draw Solution，DS）分别在膜的两侧。在海水淡化的脱盐过程中海水是原液，而汲取液是别的物质，但这种物质的渗透压要比海水的渗透压高，利用膜两侧的渗透压差作为推动力，促使海水侧的水分子自发的穿过正渗透膜到汲取液侧。最后通过一系列的方法使汲取液与水得以分离，最终得到淡水。