反向溶质扩散助力正渗透浓缩藻酸盐

文章亮点

利用正渗透浓缩回收藻酸盐

有利于驱动溶质钙离子的反向扩散

分析正渗透膜上回收物的特性

设计并制作新型的FO膜是重点研究方向

文章简介

资源回收是污水处理技术未来的发展方向。藻酸盐是一种高附加值的生物聚合物。作为增稠剂、乳化剂、稳定剂、粘合剂、浆液等物质的生产原料，广泛应用于食品、医药、纺织、印染、造纸、日常化工等行业。在污水处理技术的研发过程中，研究人员发现了有氧颗粒污泥(AGS)成粒过程和成熟过程始终含有高含量的藻酸盐，可达污泥干重的25%。然而，回收藻酸盐溶液的含水量高达99%.8%。因此，脱水和浓缩是从AGS回收藻酸盐的主要瓶颈之一。

传统的方法是添加乙醇、氯化钙、无机酸和其他化学试剂来沉淀和浓缩水中溶解的藻酸盐，消耗大量的化学试剂并造成二次污染。（FO）它是一种新型的膜分离技术，可以大大降低藻酸盐回收过程中的工艺规模和运行成本。然而，驱动溶质的反向扩散受到限制FO技术发展的瓶颈之一是驱动反向溶质的通量（RSF）会降低FO工艺所需的驱动力导致水通量下降。同时，驱动溶质的反向扩散也会污染原料液，增加驱动溶质的消耗成本。驱动溶质的反向渗透FO在这个过程中是不可避免的，所以大量的研究致力于减少RSF。有趣的是，我们发现了FO过程中Ca2 反向渗透促进藻酸盐浓缩。驱动液中少量Ca2 透过FO膜，反向扩散到原料液侧，原料液中的藻酸盐是一种聚合物材料，可以与Ca2 形成蛋壳结构，形成海藻酸钙（Ca-Alg），并注意到Ca-Alg可以看作是一种新型的可回收纳米材料，也是可回收的目标产品之一。基于此，本研究提出了一种新型的驱动溶质反向扩散FO藻酸盐浓缩回收法，其中，驱动溶质的反向扩散不再受到限制FO发展瓶颈。本研究可为未来污水处理技术和污水资源化提供思路，特别是2021年7月发表的污水藻酸盐浓缩回收方向《Chemosphere》国家发明授权(号:ZL202010189536.8）。

主要结果

FO膜上回收产品的特性

原料液侧藻酸钠在正渗透浓缩过程中（SA）与驱动液侧反向扩散Ca2 在原料液侧相互吸引和结合FO如图1所示，膜上形成浓缩物。浓缩产品和SA结果如下：浓缩物与SA的FTIR光谱(图2)表明两者都有相似的特征官能团；和SA相比之下，浓缩物COO-的反对称vas和对称vs伸缩振动峰向右移动，表示原料液侧SA桥接反向渗透Ca2 ；XPS分析结果(图3)Ca2 通过阳离子交换取代了它Na ，形成Ca-Alg；XPS高分辨率扫描(图4)获得的主要官能组含量信息进一步证实了可渗透金属阳离子Ca2 与SA中羟基发生反应。

藻酸钠和驱动剂浓度的影响

三种浓度的SA溶液FO时，5 h内部的平均水通量分别为3.28、3.05和3.76 L·m-2·h-1（图5a），即随着SA随着浓度的增加，水通量的下降并不明显，这与传统压力过滤过程中加，水通量下降不明显。另一方面，驱动剂CaCl2浓度影响显著FO膜两侧的渗透压差及Ca2 反向扩散，如图5 b所示，随着CaCl随着浓度的增加，水通量显著增加。CaCl随着浓度的增加，水通量的下降加，可能是由于反向扩散Ca2 量增加，导致浓缩物浓度增加，结构变化，原料液侧浓缩浓度差极化更严重。值得注意的是，FO膜上形成的回收物Ca-Alg，其材料性能SA和Ca2 摩尔质量比的影响，因此在特定条件下存在反向扩散Ca2 浓度，并考虑水通量的大小。

反向渗透溶质FO回收藻酸盐机制及应用分析

从驱动液侧反向扩散Ca2 穿过FO薄膜和料液侧膜浓缩SA反应形成Ca-Alg，形成机理如摘要图所示。FO过程中Ca因此，2 的反向扩散是有限的，Ca2 与SA分子间结合优于分子内结合。驱动液侧Ca2 连续反向扩散导致聚合物胶束的形成，终转化为蛋壳结构。研究结果如下：

一般地，RSF随着驱动液浓度的增加，驱动剂浓度越大，Ca2 反向扩散越小。这种异常行为可以解释为:料液侧FO薄膜表面形成的浓缩物（Ca-Alg），由于其电荷特性、分子筛功能和渗透压，阻碍了Ca2 的反向扩散，并且随Ca2 浓度增加，阻碍作用增加。

料液侧FO膜上需要适量Ca2 可形成Ca-Alg，Ca2 反向扩散较低，可能不够SA结合形成Ca-Alg，而Ca2 反向扩散较高，可能导致水通量下降加快。

驱动液中CaCl2的浓度不仅影响水通量，还影响水通量Ca2 的RSF，然后改变料液侧FO膜上形成的Ca-Alg材料特性。

不同类型FO膜带来的电荷不同，如带负电FO膜会使溶液中的阳离子比阴离子更容易迁移，从而影响RSF。

结语

本研究提出了以钙盐为驱动剂，FO钙离子的反向扩散有利于藻酸盐的回收。材料液侧FO膜上形成的浓缩物是藻酸钠与反向扩散的钙离子相互作用形成的藻酸钙，也是一种可回收材料。CaCl2浓度增加，水通量显著增加；但SA浓度对水通量影响不大。当藻酸盐浓度浓缩时，需要适当的反向扩散Ca2 设计制作新型FO膜是未来研究的重点方向，还应评估藻酸钠回收的经济潜力。

原文信息：

Cao D Q,Sun X Z,Zhang W Y,Ji Y T,Yang X X,Hao X D. News on alginate recovery by forward osmosis: Reverse solute diffusion is useful. Chemosphere,2021,285: 131483.

来源：水业碳中和资讯

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