《Water Resources and Industry》：Efficient brine concentration of highly saline and hypersaline water using forward osmosis: A modeling study
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为了应对高盐度(总溶解固体TDS < 35 g/L)与超高盐度(TDS > 70 g/L)废水处理的挑战，研究人员开展了一项关于正向渗透(FO)技术浓缩卤水的研究。他们首次采用新型醇基(异丙醇)汲取液并结合先进的仿生中空纤维正向渗透膜(HFFO)，通过MATLAB建模和Aspen Plus模拟，实现了较高的水通量(高达16.24 LMH)和回收率(达61%)，同时获得了较低的反向溶质通量(RSF)和特定反向溶质通量(SRSF)。该研究为工业及高盐度废水浓缩提供了一种高效、可持续的解决方案，并有助于实现联合国的可持续发展目标(SDG 6)：清洁饮水和卫生设施。
水资源短缺是当今世界面临的严峻挑战之一，而工业废水、海水淡化浓缩液等高盐度甚至超高盐度水的处理更是其中的“硬骨头”。传统的处理方法往往能耗高、效率低，难以经济有效地实现水资源回收和废物减量。正向渗透(Forward Osmosis, FO)技术作为一种新兴的膜分离过程，依靠半透膜两侧的渗透压差驱动水分子从低浓度侧（原料液， Feed Solution, FS）向高浓度侧（汲取液， Draw Solution, DS）自然迁移，理论上具有低能耗、低膜污染等潜力，被认为在浓缩高盐废水方面前景广阔。然而，现有的FO技术在实际应用中仍面临瓶颈：一方面，常用的汲取液（如氯化钠、氨-二氧化碳）存在反向溶质通量(Reverse Solate Flux, RSF)高、再生困难等问题；另一方面，传统正向渗透膜（如三醋酸纤维素膜CTA、薄层复合膜TFC）在处理高盐度原料液时水通量(Water Flux)较低，导致处理效率不尽如人意。那么，能否找到一种性能更优的汲取液与膜的组合，来打破这些限制，实现高盐废水的高效、可持续浓缩呢？
来自印度韦洛尔理工学院的研究团队Kaushik Dey和D. Dsilva Winfred Rufuss在《Water Resources and Industry》上发表了一项建模研究，对此进行了深入探索。他们首次将一种醇类物质——异丙醇(Isopropanol, IPA)作为汲取液引入高盐度水的FO浓缩过程，并搭配了先进的仿生中空纤维正向渗透膜(Hollow Fiber Forward Osmosis, HFFO)。通过系统的建模与模拟分析，他们验证了该组合在处理高盐度和超高盐度氯化钠溶液时的卓越性能，不仅获得了显著提升的水通量和回收率，还将有害的溶质反向泄漏降至较低水平，同时建立了高效的汲取液再生工艺，最终产出高品质的淡水。这项研究为攻克高盐废水处理难题提供了创新思路和可靠的技术方案。
为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们采用了商业化的仿生中空纤维正向渗透膜(HFFO?2)的数据，该膜活性层嵌有水通道蛋白(Aquaporin)。其次，研究核心是建立并求解一个基于溶液-扩散理论并考虑了内部浓差极化(Internal Concentration Polarization, ICP)和外部浓差极化(External Concentration Polarization, ECP)的稳态集总参数FO传输模型，该模型在MATLAB中通过定点迭代法实现。模型所需的汲取液渗透压数据通过实验蒸汽压渗透压测量法获得。最后，对于被稀释的汲取液，他们使用Aspen Plus V14软件，分别对50%异丙醇水溶液(50IPA+50W)和纯异丙醇(100IPA)进行了蒸馏再生过程建模，前者采用DSTWU精馏模型，后者则采用了以二甲基亚砜(Dimethyl Sulfoxide, DMSO)为夹带剂的萃取精馏(RADFRAC模型)结合后续精馏的两塔流程。
研究结果
4.1. 水通量
研究发现，对于两种汲取液(50IPA+50W和100IPA)，处理高盐度水(0.5 M和1.0 M NaCl)获得的水通量均高于超高盐度水(1.5 M NaCl)。例如，使用100IPA汲取液时，0.5 M NaCl原料液的水通量可达20.35 LMH，而1.5 M NaCl原料液则为13.99 LMH。这主要是由于原料液盐度越低，与汲取液之间的渗透压差越大，驱动力越强。比较两种汲取液，纯异丙醇(100IPA)因其更高的渗透压，其水通量略高于50%异丙醇溶液(50IPA+50W)。此外，操作温度从20°C升高到30°C，水通量也随之增加，这归因于温度升高导致水的扩散性增强、粘度降低以及膜孔结构可能发生膨胀。
4.2. 反向溶质通量和特定反向溶质通量
反向溶质通量(RSF)和特定反向溶质通量(Specific Reverse Solute Flux, SRSF)是衡量汲取液溶质向原料液反向扩散的关键指标，越低越好。有趣的是，原料液盐度越高，RSF反而越低。例如，用50IPA+50W处理0.5 M NaCl时RSF为66.6 g/m2/hr，而处理1.5 M NaCl时降至47.23 g/m2/hr。这是因为高盐度原料液降低了跨膜的溶质浓度梯度。对比两种汲取液，50IPA+50W的RSF和SRSF均低于100IPA，表明较低的异丙醇浓度有助于减少反向扩散。温度升高会使RSF轻微增加，但由于水通量增加更显著，SRSF反而略有下降。
4.3. 截留率
截留率(Rejection)反映了膜阻止原料液中盐分透过能力。无论是高盐度还是超高盐度原料液，使用两种异丙醇汲取液时，HFFO膜都表现出极高的截留率，平均在98.3%以上。这得益于膜中水通道蛋白对水分子的高效选择性。温度升高对截留率有轻微的积极影响。
4.4. 回收率
回收率(Recovery)指从原料液中回收的纯水比例。研究表明，原料液盐度越高，回收率越低（例如，0.5 M NaCl回收率约60.7%，1.5 M NaCl降至52.4%），这与水通量下降的趋势一致。令人注意的是，尽管100IPA的水通量略高，但50IPA+50W的回收率反而更高，这可能是由于高浓度异丙醇带来更严重的浓差极化，抵消了其渗透压优势。提高操作温度可以有效提升回收率。
4.5. 稀释后50IPA+50W汲取液的再生
FO过程后，50IPA+50W汲取液被稀释至约30% IPA。通过Aspen Plus对精馏过程进行建模和优化，在最佳操作条件下（塔底采出率49.6 kmol/hr等），可以从塔底得到纯度接近100%、仅含0.2 ppm异丙痕量的产品水，并从塔顶再生得到浓度约50%的异丙醇溶液，可循环用于FO过程。再生的能耗也通过优化得以控制。
4.6. 稀释后IPA100汲取液的再生
纯异丙醇(100IPA)与水会形成共沸物，再生需要采用萃取精馏。研究建立了两塔流程：第一塔（萃取精馏塔）以DMSO为夹带剂，从约80% IPA的进料中在塔顶得到纯度99.95%的再生异丙醇，塔底为水、DMSO及微量IPA的混合物；第二塔（普通精馏塔）将塔底混合物分离，得到高纯度水（塔顶）和可循环使用的DMSO（塔底）。然而，该流程产出的水中异丙醇残留量约500 ppm。
4.7. 产品水中异丙醇的毒性
尽管异丙醇在高剂量下有毒性，但本研究评估了其残留风险。对于50IPA+50W再生系统，产品水中异丙醇浓度仅0.2 ppm，远低于职业暴露限值(400 ppm)和已知的毒性阈值，且该过程为闭环系统，溶剂被持续回收，因此环境与健康风险可忽略。然而，100IPA再生系统产水中的异丙醇残留(500 ppm)超过了建议限值，故不被推荐。
研究结论与意义
本研究通过建模系统地评估了异丙醇基汲取液与仿生中空纤维正向渗透膜联用，用于浓缩高盐度与超高盐度水的技术可行性。主要结论如下：首先，对于所测试的盐度范围(0.5 M至1.5 M NaCl)，推荐使用50%异丙醇水溶液(50IPA+50W)作为汲取液，并在30°C下操作。该组合在保持高水通量(最高16.24 LMH)的同时，实现了较低的特定反向溶质通量(最低3.8 g/L)、较高的回收率(最高60.7%)和极高的截留率(平均>98.3%)，综合性能最优。其次，研究表明，通过优化的精馏工艺可以高效再生稀释后的50IPA+50W汲取液，生产出杂质含量极低(0.2 ppm IPA)的纯净水，并恢复汲取液浓度以供循环使用，形成了一个可持续的闭环系统。最后，尽管纯异丙醇(100IPA)在FO过程中能产生略高的水通量，但其再生后产品水中的异丙醇残留较高，存在毒性超标风险，因此不被推荐用于实际处理。
这项研究的意义重大。它首次证实了异丙醇作为一种新型醇基汲取液在高盐废水FO处理中的巨大潜力，克服了传统氯化钠、氨-二氧化碳等汲取液在反向溶质通量、再生或毒性方面的缺陷。结合高性能的仿生中空纤维膜，该技术方案显著提升了FO过程处理高盐度流体的效率和水回收率。完整的“FO浓缩-蒸馏再生”工艺链设计，为实现废水处理领域的“零液体排放”(Zero Liquid Discharge, ZLD)目标和资源化利用提供了新路径。研究成果有望应用于纺织、乳制品、制革等产生高盐废水的行业，为应对全球水资源短缺挑战、推动可持续发展目标（SDG 6）的实现贡献了创新的科技解决方案。未来的研究可进一步关注该系统的长期运行稳定性、膜污染控制以及不同醇类汲取液的经济技术比较，以推动其走向实际工程应用。
