工程科学与技术，国际期刊21（2018）1018完整文章压力延迟渗透（PRO）Jinwoo Sima，Jaewuk Koob，Sookhyun Namb，Eunju Kimb，Tae-Mun Hwanga，b，a大韩民国韩国科技大学b大韩民国，韩国土木工程和建筑技术研究所阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年12月11日收到2018年2月20日接受在线提供2018年关键词：膜污染清洗方法PAOBA B S T R A C T压力延迟渗透（PRO）是一种很有前途的海水淡化技术。然而，主要问题之一本研究调查的有机和无机污染的减轻在PRO的螺旋驱动的清洗方法。本研究比较了有效的清洗方法：（i）渗透反冲洗（OB），（ii）反渗透冲洗（ROF），(iii)压力辅助渗透反冲洗（PAOB）。结果表明，PAOB在清洗效率和渗透性方面都优于分别以1000 mg/L的CaCO3溶液和100 mg/L的腐殖酸作为代表性的无机和有机污染物。清洗后比较清洗效率和通量下降率。与其他清洗方法相比，PAOB方法显示出更高的性能，具有92%的回收率和清洗后较小的通量下降。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）等仪器分析，确定了PRO的清洗方法。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍由于人口的持续增长，世界正面临能源危机因此，全球对可持续能源的需求对可再生能源的兴趣带来了电驱动（OM）膜过程[1]。压力延迟渗透（PRO）是一种很有前途的脱盐技术，可用于发电[2]。在PRO过程中，使用两种不同的浓缩溶液;较高浓度的盐水（即，汲取溶液（DS））和较低浓度的新鲜水（即，进料溶液（FS））。PRO基于正向渗透（FO）。当遇到由半透膜分离的淡水和海水的不等浓度溶液时，在液压下发生从FS到DS的渗透水流穿过膜。通过使用盐度梯度能量，可以将通过能量交换装置的驱动溶液侧的高压转换为功率[3]。使用渗透力的PRO与其他PRO* 通讯作者：韩国土木工程和建筑技术研究所，2311 Daehwa-Dong，Ilsan-Gu，Goyang-Si，Gyeonggi-Do 411-712，Republic of Korea。电子邮件地址：simjinwoo@kict.re.kr（J.Sim），taemun@kict.re.kr（T.-M. Hwang）。由Karabuk大学负责进行同行审查可再生能源（风能、太阳能等）。它不受气候变化的影响。大量的势能存在于水中。据估计，它可以在世界上产生2TW的能量潜力[4]。然而，由于自然界中不可避免地存在能量损失，反渗透海水淡化技术是目前世界上常用的海水淡化技术，已被证明具有良好的脱盐和净化污水的性能。目前的反渗透技术已经接近其最大价值，因此为了提高性能，创造了另一个概念普通PRO工艺使用海水作为DS，使用淡水作为FS。然而，PRO产生的净能量较低，无法应用真实场[4，5]。研究了RO与PRO耦合的RO-PRO混合在这种RO-PRO混合系统中，PRO使用RO盐水作为DS，并将产生的能量提供给RO系统。通过使用PRO产生的能量，可以降低总运行能量和膜污染是RO-PRO复合系统的主要问题之一。硫酸钙（CaSO4）、碳酸钙（CaCO3）和有机物是常见的污染物.膜污染会降低膜的使用寿命，增加运行成本.为了找到PRO隔膜的最佳清洁方法，进行了许多研究[6以往对PRO膜工艺的研究发现，有机污染物和无机结垢在膜表面积累https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.02.0092215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch×J. Sim等人 /工程科学与技术，国际期刊21（2018）1018-10231019Fig. 1.活性层面向提取液（AL-DS）的不对称膜，膜内和膜外浓差极化。在操作过程中膜的表面和内部[11]。图1显示了浓差极化（CP）现象。CP是降低跨膜渗透压差的诱导因子[12]。CP的发生是由于膜内外溶质的积累或消耗由于较低渗透水穿过膜，水通量也与较低渗透差成比例。水通量与CP密切相关。使用渗透力的膜通常是不对称的[13]。CP发生在活性层的外部和支撑层侧的内部（内部浓差极化（ICP）、外部浓差极化（ECP））。较高的压力可能导致膜变形并影响性能[14]。实验室规模的研究考察了PRO膜的清洗方法，以减少膜污染，而不防垢剂。本研究采用三种不同的反冲洗方法对膜进行清洗，并比较了膜的恢复性能。为了比较性能，使用水通量（Jw）。2. 材料和方法2.1. PRO测试在本研究中，如图2所示，通过使用横流实验装置，进行了清洁方法的研究对于PRO，将膜方向设置为AL-DS（在膜的活性层职业膜评价池用于平板膜，其由SUS（Steel Use Stainless）制成。其有效膜面积为0.064m2（0.08 m长0.08 m宽）.PRO膜由活性层和支撑层组成。中的所述支撑层PRO膜比活性层更厚，以承受操作期间来自抽吸侧的施加压力。3型PRO膜从Toray（Toray Co.，韩国）。用电子压力计（GR200图形记录仪，Hanyanshannux Co.，韩国）。电子秤（Ranger 7000，Ohaus Co.， USA）置于FS容器下并记录下降的水重量以测量渗透通量和功率密度。通过使用记录的水重量变化计算渗透通量。为了保持温度的稳定性（DS，FS = 20 °C），使用冷却器（RW-0525 G，Jeiotech Co.，韩国）使用。PRO方法的稳定压力（P = 15巴）通过使用增压泵（Hyosung Co.，韩国）。DS由1.2MNaCl（氯化钠，SAMCHUN Co.，韩国）。在RO-PRO复合工艺中，DS浓度与RO工艺的盐水相同。在操作期间固定FS和DS体积（2 L）和流速（1 LPM）。表1示出了用于所有实验的测试条件。PRO操作的最佳施加压力（DP）因器械条件不同而略有不同。通过使用Jw和DP计算PRO的每个功率密度（W）Jw¼ADp-DP 1图二.实验室规模的压力延迟渗透（PRO）示意图。1020J. Sim等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1018表1PRO工艺的操作条件项目条件膜3-版本PRO膜（Toray Co.）有效膜面积0.0064m2（0.08 m× 0.08 m）压力15 bar膜取向AL-DS（PRO模式）温度20°C流量（进料、出料）均为1 LPM其中A =膜的水渗透系数，DP=渗透压差，DP= PRO膜中的液压差。压差ΔPf- PcPf¼进料压力浓缩液压力ð2Þ图3.第三章。流量随各种垢和污垢的变化而下降W ¼Jw×D P32.2. 进料溶液的条件根据进料溶液（FS），清洁效率可以不同。为了制备溶液，通过腐殖酸（腐殖酸钠盐，SIGMA-ALDRICH Co.，德国）、CaCO3（碳酸钙，SHOWA Co.，日本）和CaSO4（硫酸钙，SHIMA-KYU日本）。在研究中，使用了三种类型的表2显示了本研究中结垢和清洁的实验条件。特别是以1000 mg/L的CaCO3溶液和100 mg/L的腐殖酸溶液作为模型溶液，对清洗方法进行了比较。2.3. 清洁方法使用并比较了PRO隔膜的螺旋驱动清洁方法。将清洗方法分为3类。1)渗透反冲洗（OB）：FS（NaCl 0.6M）、DS（蒸馏水，DW），2）反渗透冲洗（ROF）：FS（DW）、DS（NaCl 0.6M）和施加到出料侧的压力（40巴），3）压力辅助渗透反冲洗（PAOB）：FS（NaCl 0.6M）、DS（蒸馏水，DW）和施加到出料侧的压力（5巴）。下表3示出了应用于所有实验的清洁方法的见图4。清洁方法后的比较。表2结垢后清洗的实验条件项目条件饲料溶液腐殖酸100 mg/L腐殖酸100 mg/L +CaSO4 1 g/L腐殖酸100 mg/L +CaCO3 1 g/L抽取溶液NaCl 1.2 M清洁溶液进料溶液：蒸馏水（D.W）提取液：蒸馏水（D.W）清洗时间30分钟图五、回收率（回收率OB：88%，ROF：89%，PAOB：92%）。表3PRO膜的清洗方法。项目条件料液腐殖酸100 mg/L + CaCO3 1 g/L抽取溶液NaCl 1.2 M清洗方法渗透反冲洗（OB）反渗透冲洗（ROF）压力辅助渗透反冲洗（PAOB）清洁条件FS：NaCl 0.6 M FS：DW FS：NaCl 0.6 M DS：DW DS：NaCl 0.6 M DS：DW时间：30分钟时间：30分钟时间：30分钟施加到拉伸侧的压力：40巴施加到拉伸侧的压力：5巴J. Sim等人 /工程科学与技术，国际期刊21（2018）1018-10231021见图6。膜的横截面和表面SEM图像。1022J. Sim等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）10182.4. 膜的SEM用扫描电子显微镜（SEM）对实验中的所有膜样品进行了分析在扫描膜之前，为了放置分析装置，通过横截面聚合（CP，IB-19510 CP，JEOL Ltd.，日本）。膜的切割面可以通过使用CP来保持稳定性然后，通过使 用场发射扫 描电子显微 镜（SEM ，JEOL-7800 F ， JEOLLtd.，日本）。3. 结果和讨论3.1. 结垢倾向取决于结垢物质图图3示出了通过三种类型的物质降低渗透通量的结果。根据结垢物质的不同，通量下降会有所不同。所有的膜在操作5小时后被相当程度地污染在约1小时内观察到严重的通量下降结果表明，有机-无机复合物（腐殖酸+ CaCO3）对膜复合性的影响最大。CaCO3是膜结垢的主要原因. 以腐殖酸+CaCO3为模型污染物，采用OB、PAOB和ROF三种清洗方法进行清洗。3.2. 根据清洁方法进行图 4介绍了清洗方法对PRO的影响。PAOB较ROF、OB更有效。图5显示了清洁后的所有初始通量是相似的。回收率分别为OB：88%、ROF：89%、PAOB：92%。然而，随着时间的推移，这种效果的明显性逐渐显现在脸上。使用PAOB的膜性能比其他膜性能降低较少结果表明，ROF比OB更有效，但没有表现出显著的特征。PRO膜有两层（活性层和支持层）压力因素是PRO中产生动力所必需的，因此，支撑层是承受施加压力的重要作用由于支撑层比活性层厚，污染现象通常发生在支撑层，影响膜的性能。用蒸馏水进行物理冲洗，膜表面的冲洗效果比内部好。与物理冲洗相比，所有气动驱动的经清洗后，所有病例的初期治愈率相似。然而，在过滤过程中显示出明显的差异实验结果表明，支撑层中残留的有机污染物和无机污染物堵塞了支撑层中的孔隙，压力引起的膜变形会影响膜的性能。由清洁方法引起的膜内部的形状可以带来不同的结果。3.3. 膜的SEM图6示出了根据清洁方法的明显差异。为了找出清洁前后的变化，将纯膜作为标准（图6（a），（b））。无机污染物以结垢的形式在膜表面积累（图6（c）、（d））。如图6（d）所示，有机和无机污垢也积聚在支撑层中。它们都粘在了膜的小孔上。这种现象会对膜的性能产生很大的影响。在ROF和PAOB之后冲洗膜的表面。图6（e）和（f）显示了图像。通过实验结果，可以推断两者均能有效地对表面进行错流冲洗。然而，图6（f）和（h）显示了一些区别特征。ROF和PAOB在清洁期间二者均能诱导膜变形如SEM图像所示，发生了膜变形。由于ROF使用高压变形的膜会对PRO的长期运行性能产生不利反溶质扩散（RSD）在类似PRO的热力学驱动的膜过程中起着重要的作用ICP可以根据从汲取溶液扩散到进料溶液的溶质扩散来增强[15，16]。膜变形可增加溶质渗透性。膜变形引起的溶质渗透性增加可提高RSD，并使溶质在支撑层中积累这种现象导致ICP增强，并将对PRO性能产生不利影响[17]。ROF后的膜变形比PAOB发生得更多（图1）。 6（f）和（h））。认为采用高压方法使膜变形会导致膜性能下降。由此可以得出PAOB是一种优于ROF和OB的方法4. 结论本研究的目的是找出PRO膜的气动驱动清洗方法的效果。当三种清洗方法应用于污染的膜时，所有方法都可以冲洗膜表面。因此，在初始操作时，回收率与其他类似。PAOF的治愈率为92%。然而，PRO膜性能根据清洁方法而变得不同。1) 膜的变形影响膜的性能ROF在PRO过程中使用了40 bar的高压这种现象会对PRO性能产生不利影响。2) 虽然清洗方法可以带来很高的回收率，它假设的事实，其余的一些有机和无机污染的膜，清洗后，堵塞的孔隙中的支持层可以影响PRO的性能。与ROF和OB相比，PAOB是更有效的膜清洗方法本研究表明，根据清洁方法的不同，PRO性能可能会受到影响。确认本研究得到了韩国政府土地、基础设施和交通部资助的工业设施基础设施研究计划的资助（代码17 IFIP-B 065893 - 05和代码18 IFIP-B146829 -01）。引用[1] G. Han，J. Zhou，C.万氏T. Yang，T. Chung，使用海水淡化盐水和废水的压力延迟渗透（PRO ）膜的无机 和有机污 垢行为的调 查，清洗 和清洁策 略，Water Res. 103（2016）264-275。[2] M. Zhang，L.侯角，澳-地她Y.C. Tang，压力延迟渗透中的石膏结垢：实验，机制和影响，水研究48（2014）387-395。[3] G. 汉，S.Zhang，X.Li，T.S.钟，压力延迟渗透（PRO）膜渗透发电的进展，Prog。Polym. Sci. 51（2015）1-27。[4] J. Kucera，Reverse Osmosis，John Wiley Sons，Hoboken，MA，2010.[5] A. J.L. Prante，N.T.Hancock，E.B.Maxwell，A.E.Childress，RO-PRO的实验结果：下一代低能量脱盐系统，Environ。Sci. 48（2014）6437-6443。[6] 是的Le Gouellec，M.陈晓，硫酸钙（石膏）垢在含盐农业排水纳滤中的控制，环境。Eng. Sci. 19（2002）387-397。[7] 工作日Shih，J. Gao，A.作者：J.科恩角Gabelich，Ranking ofantiscalant performancefor gypsum scale suppression in the presence ofresidual aluminum ， Desalination196（2006）280-292.J. Sim等人 /工程科学与技术，国际期刊21（2018）1018-10231023[8] A. Rahardianto，B.C. Mccool，Y.高石膏结垢倾向的内陆微咸水的反渗透过滤：膜矿物结垢的动力学和减轻，环境。Sci. Technol. 42（2008）4292-4297。[9] A. Rahardianto，W.施河李，Y。郭文清，黄文清，黄文清。好 吧Sci. 279（2006）655-668。[10] S.李，C. H.李，操作条件对纳滤软化水中CaSO 4垢形成机理的影响，水处理。Res. 34（2000）3854- 3866。[11] 蔡耀君，S.H.金先生Jeong，T. M. Hwang，应用超声波减轻硫酸钙结垢和胶体结垢，脱盐336（2014）153-159。[12] J.R. McCutcheon，M. Elimelech，浓缩和稀释的内部浓差极化对正向渗透通量行为的影响，J. J. Sci. 284（2006）237-247。[13] T.Y. Cath，A.E. Childress，M.正向渗透：原理、应用和最新发展，J。好 吧Sci.281（2006）70-87。[14] S. Jamil，S.郑，S。王文，压力辅助正渗透法在水净化中的应用及再生水厂反渗透浓缩液的再利用，中国环境保护总局。普里Technol. 171（2016）182-190。[15] Q.她Y.K.W.黄，S. Zhao，C.Y.汤，压力延缓渗透中的有机污垢：实验，机理和影响，J. J. Sci. 428（2013）181-189。[16] N.Y. Yip，M.Elimelech，通过压力延迟渗透从盐度梯度发电的性能限制效应，环境。Sci. Technol.45（2011）10273-10282。[17] Q.她，X。Jin，C.Y.汤，压力延迟渗透从盐度梯度资源生产渗透发电：操作条件和反向溶质扩散的影响，J。好吧Sci. 401 -402（2012）262-273。
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