综述：正渗透脱盐技术在水处理中的应用更新：当前趋势与未来研究展望

《Desalination and Water Treatment》：An update on the use of forward osmosis desalination technology for water treatment: Current trends and future research outlooks

　　

当前全球水安全危机主要源于气候变化和人口增长，导致水资源短缺、获取不均和污染问题，这持续加剧了日益严峻的水危机，并促使对水资源的管理需求日益紧迫。因此，为应对清洁水需求，同时缓解能源密集型和昂贵的水处理设施相关的能源限制，采用经济环保的水处理技术成为解决方案。本综述重点介绍了正渗透（FO）技术在脱盐废水、苦咸水和海水方面的应用进展，旨在大幅提升清洁水供应量。研究指出，FO膜技术是快速发展的新兴脱盐行业的有力候选者，目前该行业主要由反渗透（RO）和热技术主导。商业化分析显示，北美（40%）、欧洲（30%）和亚太地区（25%）在水资源领域处于领先地位，这与市场分析结果一致，预计复合年增长率（CAGR）为10.5%，市场规模将从2025年的9.75亿美元增长至2031年的17.74亿美元。此外，本综述回顾了FO相关的误解和不一致性，以更新知识基础，并分析了其缺点及相应缓解策略。高通量可再生汲取液、混合可再生能源驱动的FO系统、实现最小液体排放（MLD）和/或零液体排放（ZLD），以及降低浓度极化（CP）、反向溶质扩散（RSD）和膜污染的系统，对于实现FO脱盐过程的可持续性至关重要。本文还阐述了未来研究展望、关键差距和考虑途径。

本综述旨在提供正渗透（FO）技术在水与废水处理中应用的新见解，并指出相关知识和研究空白。方法包括在Scopus数据库中检索2000年至2026年1月间关于FO技术脱盐水与废水流的文献，通过共现网络图进行文献计量分析。分析显示，“脱盐”、“正渗透”和“渗透”等关键词出现频率最高，而“反渗透”、“膜技术”和“膜”等关键词与FO技术密切相关，表明其常作为混合系统使用。文献计量分析共现网络与关键词出现趋势记录一致，反映了FO技术在水处理领域的应用动态。
正渗透（FO）技术因其低膜污染、对总溶解固体（TDS）的高截留率、能效和成本效益，在水与废水处理中日益重要。在FO过程中，进料液（FS）在渗透压梯度驱动下通过半透膜向汲取液（DS）扩散，无需水力压力。FS和DS分别被浓缩和稀释，通过再生系统恢复DS并回收水，从而产生饮用水。FO应用于多个行业，如化工、食品加工、制药、纺织和废水处理，膜脱盐截留率可达99.8%。例如，从市政废水中去除化学需氧量（COD）、痕量金属、硝酸盐和磷的效率分别达99%、98%以上和50-85%。研究还涉及FO性能评估、操作条件影响、集成和混合系统、膜技术、建模监测、生命周期评估（LCA）和能耗等方面。FO因其低压要求，在脱盐和水处理中快速发展，适用于营养物回收、水回用和污泥浓缩等目标。
FO技术在脱盐中具有经济和技术优势，包括利用渗透压驱动水通过膜，减少污染风险，高截留有毒污染物，水回收率高，以及DS可使用无毒物质制备和再生。此外，FO支持循环经济，实现水回收和盐水浓缩利用，并可利用低品位废热进行DS再生，减少能耗。
FO系统存在一些缺点，主要是浓度极化（CP），包括外部浓度极化（ECP）和内部浓度极化（ICP），会降低渗透压差和水通量。膜污染由微生物、悬浮固体和溶解物在膜表面积累引起，分为生物污染、胶体污染、无机和有机污染等类型，影响膜选择性和通量。反向溶质扩散（RSD）导致DS浓度梯度下降，加剧污染和CP。DS的选择和再生是挑战，需要高渗透压、低毒性和易再生。此外，DS的渗透压由范特霍夫定律（π = icRT）决定，其中π是渗透压，i是范特霍夫系数，c是浓度，R是气体常数，T是绝对温度。
FO应用中存在一些误解，如认为FO直接生产清洁水、能耗低于RO、膜完全不透溶质等。实际上，FO需要后续处理，能耗可能更高，膜对溶质有一定透过性，反向溶质通量（RSF）普遍存在。
FO的瓶颈如污染、CP和RSD相互关联，共同影响膜性能。RSD和RSF降低浓度梯度和水通量，加剧污染和CP；反之亦然。这种互依关系导致操作效率下降，需要定期清洗和压力提升，因此推荐对进料流进行预处理。
为缓解FO缺点，采用多种策略，如使用纳米材料（碳纳米管、氧化铜等）提高膜性能，减少污染约30%。光学相干断层扫描（OCT）和卷积神经网络（CNN）可用于实时监测和建模污染。分析方法如场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线（EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和原子力显微镜（AFM）等用于检测污染物。降低反向溶质通量选择性（RSFS）可提高分离效率，操作温度建议为25-30°C以优化水通量和RSF。水凝胶应用、低结构参数（S）、高水渗透性和薄膜支撑层也有助于减轻污染和CP。人工智能（AI）和机器学习（ML）可用于优化FO系统，预测污染和性能。
FO混合系统和DS再生技术是关键。FO与反渗透（RO）、膜蒸馏（MD）、纳滤（NF）、超滤（UF）等耦合用于DS再生，降低液体排放。例如，FO-RO系统在低盐进料时更高效，而FO-MD在适中盐度下更优，但无废热时成本较高。DS再生方法包括热回收、磁分离等，但各有局限，如高能耗或颗粒聚集。DS类型多样，包括刺激响应型溶剂（如热响应水凝胶、磁性纳米颗粒）、有机盐（如乙酸钠、EDTA盐）、挥发性溶剂（如碳酸氢铵）和无机盐（如氯化钠）。每种DS具有不同优缺点，如高渗透压但再生复杂。优化DS合成以提高水通量、降低RSF和能耗是重要方向。
正渗透（FO）技术与可再生能源集成可减少脱盐过程的液体排放和碳排放。FO系统需要高资本投入，能耗占成本30-50%，因此使用可再生能源如太阳能、风能和地热能可降低运营成本和碳足迹。盐差梯度能从盐水流中产生渗透能，例如每升氯化钠DS可生成2.7 MJ.m^-3能量。热能和盐差能可为FO系统提供能源，但当前可再生能源应用仍受限，主要因基础设施成本高。技术进步有望降低风险，使FO-可再生能源系统更具经济可行性。
FO技术从实验室测试扩展到中试和商业化应用涉及参数优化，如温度、FS浓度、pH、流速、膜特性和DS性质。中试验证后，商业部署逐步推进。例如，韩国建立了大型FO-RO混合系统处理海水，美国设有太阳能驱动FO脱盐厂，阿曼部署了全球首个FO工厂。然而，商业应用仍有限，因直接产清洁水能力不足、DS管理挑战、膜成本、CP和RSD影响、技术成熟度低、专业人员缺乏及污染处理费用高昂。
FO技术的环境分析涉及生命周期评估（LCA），考虑进料组成、盐水排放和热能影响。LCA框架包括目标范围定义、生命周期清单（LCI）、生命周期影响评估（LCIA）和结果呈现。成本函数计算涉及资本和运营支出，例如FO-RO系统的资本支出较高，但运营支出较低。市场评估显示FO全球市场从2025年9.75亿美元增长至2031年17.74亿美元，复合年增长率（CAGR）为10.5%，北美、欧洲和亚太地区领先，但非洲、南美和大洋洲缺乏商业应用，需加强研发和投资。
FO脱盐技术在可持续性、能效和性能方面取得进展，但存在误解。全球市场增长迅速，商业化部署不均衡。缓解措施包括RO膜再利用、纳米材料和可再生能源集成。未来需在中试规模验证FO-可再生能源系统，探索盐差梯度能、热力学机制和污染策略，报告反射系数实际值，并应用AI算法优化系统。