眾所周知，膜技術是普遍認可的處理污水的方法，怎么讓這一方式施行的愈加完美呢?下邊，將介紹通過仿自然之法增強膜通量以及物理法增強膜產品性能來進一步改善膜技術，還有借助反向電滲析技術及驅動反向電滲析技術來從海水淡化中回收水資源。
1仿自然之法增強膜通量
大自然總能為人們尋求技術創新提供好的啟發，近日，由美國膜技術研制中心、南洋理工學院與PUB聯手展開的一項膜技術研制更是挺好的印證了這一點。
水通道蛋白，是一種坐落細胞膜上的蛋白質(內在膜蛋白)，在細胞膜上組成“孔道”，可控制水在細胞的進出，廣泛存在于喂奶植物、植物和真菌體內。水通道蛋白通過靜電作用，吸引水分子翻過通道，且只容許水份子跨膜運輸，一般每位水通道蛋白每秒鐘才能運輸多達十億個水份子。同時作為細胞膜內的內含蛋白，水通道蛋白運輸水的驅動力來自靜壓及滲透壓，能量消耗很小，具有輸水量大、能耗低、選擇性強等優秀品質。
水通道蛋白膜(ABM)將水通道蛋白與膜技術相結合，開發了一種比傳統反滲透膜的透水性高出好多倍的新技術。因為水通道蛋白膜的透水性極高，在滿足同樣水通量的前提下，其所需的壓力將大大增加，對應的煤耗和總成本投資也將降低。
在工程前期，研制團隊采用界面聚合的方式來合成水通道蛋白膜，這些方式是將水通道蛋白嵌入到膜的選擇層內，凈水，因而水份子的透過率，而且可以保護水通道蛋白不受外界環境的影響。2012年，研制團隊成功的研發出水通道蛋白膜，這些膜的輸水量比市面上有售的反滲透膜高出大概40%，并且其制造過程簡單，特別適于工程性量化生產。
在初的成功基礎上，研制團隊進一步研究怎樣優化膜的性能，而且將其應用在回用水處理中，并進行常年性能測量。該試驗水源采用工藝中反滲透濃水與普通底泥混和而成，系統壓力為，連續檢測兩周。
試驗結果表明，當混和底泥作為水源時，水通道蛋白膜的水通量基本穩定，水通量基本可達對比膜產品(未嵌入水通道蛋白的膜產品)的兩倍左右，而在離子套取方面與對比膜產品沒有明顯區別。當試驗水源全部采用反滲透膜濃水后，水通道蛋白膜和對比膜產品都發生了污堵現象，但是，不僅污堵現象之外，水通道蛋白膜的輸水量仍然比對比膜產品高出好多，基本在滿足同樣輸水量的前提下，水通道蛋白膜的系統壓力只有對比膜產品的一半左右。
未來，研制團隊將不斷優化設計、改進水通道蛋白膜的性能，并將逐漸舉辦中空纖維方式的膜產品研制，為水通道蛋白膜可以在實際工程當中的廣泛應用做好鋪墊。
2物理法增強膜產品性能
在海水淡化中，通常將超濾作為反滲透的預處理環節。來自英國的BASF研制團隊和美國的科研人員一起合作，采用高分子物理方式研制了一種具有強悍抗污堵特點的新型膜材料。這些膜材料可以承受更大的水通量，因而減少廢水處理過程中的投資成本和運行費用。
這些新型膜材料稱為The?UF，由七個獨立的中空纖維管組成，廢水步入管內，經管壁上的細孔進行過濾，細孔的孔徑大概為20納米，這個尺寸容許水份子通過細胞膜水通道，但污染物顆粒、細菌、甚至病毒就會因為容積過大而被侵吞。
在這些新型超濾膜材料的研制過程當中，研制人員進行了小試規模的平行試驗，該實驗主要針對聚合物和抗攣縮劑改性。同時，在膜合成的過程中加入合成添加劑，以實現對超濾纖維膜的物理改性。
在常年的中試試驗之前，研制人員舉辦了大量的小試試驗，并對膜的有機污堵進行測試。研制人員發覺這些新型膜材料可以大大減少污堵率，為了進一步驗證小試的試驗結果，俄羅斯的研制人員和PUB一起在PUB’sR&D泵站進行了中試試驗，中試試驗完全在實際工況下模擬進行。
對于常規的膜產品，通量大概在運行6個月以后還會升高，須要進行物理清洗，而這些新型的膜材料完全改變了6個月周期的定論，它的水通量甚至可以高達，而用于物理清洗的氫氟酸堿液的含量只須要傳統清洗時含量的一半。這些新型膜產品將在未來的物理清洗中不再使用二氯甲烷，以測試膜的承受極限。
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中試的試驗結果成功表明，物理改性在聚合超濾膜的性能方面起到關鍵影響作用，BASF的研制人員還將進一步研究將膜產品應用到其他領域的實際情況，例如飲用水生產、廢水回用等，目的是在不久的將來可以將這項技術推廣到實際的工程應用當中。
3海水淡化中回收水資源
從海水淡化中回收水資源不再是一個遙不可及的夢想，來自GE的水工藝研究組在這項技術中早已取得了成功。GE的研制人員與PUB合作，對反向電滲析技術及驅動反向電滲析技術進行了研究。她們將廢水循環工藝中含鹽量較低的出水作為鹽槽，以研究怎樣在現有的脫鹽工藝中提升淡水的回產率。
反向電滲析工藝構成主要包括由交替平行放置的陰離子交換膜(AEM)和陽離子交換膜(CEM)、膜間隔板以及陰極板和陽極板組成，其配套設施包括泵、管路及各料液儲槽等。相鄰的兩膜之間交替通入濃水與淡水，產生依次排布的濃水室和淡水室。
在含量差的作用下，濃水底的陰陽離子分別透過相鄰的陰陽離子交換膜聯通到淡水側，形成電位差，產生電瓶。在反電滲析過程中，離子因含量梯度由濃室向淡室遷移，而水則由淡室自發地向濃室滲透。隔室中濃水底的氯離子和鈉離子分別透過陰、陽離子交換膜向兩邊的淡室聯通。而假如要加強離子的遷移速率，就必須采用外加電源的方式細胞膜水通道，這些方式稱為驅動反向電滲析技術。驅動反向電滲析技術相對于傳統反向電滲析技術可以實現兩倍的脫鹽能力，而不須要設置額外預處理等環節，因此大大節約了投資費用。
在小試環節，研制人員搭建了一個由20組膜堆構成的反應器，對不同種類的陰陽離子交換膜以及不同的膜寬度都進行了測試。經過測試，發覺對這個反應起決定性作用的誘因包括開路電流、膜堆內阻等，通過這種參數也可以估算出整個膜堆的大功率密度。
研制人員說，“應用GE的離子交換膜可以達到較大的膜堆功率密度。同時，在驅動反向電滲析技術中，以實現同樣的離子交換率為前提，反滲透，所需的煤耗會大大減低?！?span style="display:none">uTT物理好資源網(原物理ok網)
在未來，研制人員將在2015年搭建一個中試試驗廠，所有的實驗條件就會模擬實際的進水和污堵工況。通過中試數據與小試試驗結果的結合，硬水，可以為反向電滲析技術及驅動反向電滲析技術的終工程應用提供有利的數據支持。
文章節選自《新加坡的水處理在創新中前行》第五章，由美國公用事業局(PUB)、新加坡國家水機構編制，四川省(無錫)環保產業技術研究院翻譯整理完成。