综述：海水淡化和水回用采用FO-RO混合系统：简要综述

《Desalination and Water Treatment》：Seawater desalination and water reuse using FO-RO hybrid system: Short review

针对全球水资源短缺问题，本文系统综述了 forward osmosis（FO）与 reverse osmosis（RO）耦合的 FO-RO 混合海水淡化技术，重点分析了其技术优势（能耗降低14%-62.5%、水回收率提升至90%）、关键挑战（膜污染、浓度极化）及解决方案（超声波辅助、膜材料改性），并探讨了实际应用案例（如阿卡鲁夫工厂）的经济效益（运营成本降低15%-30%）和碳减排潜力（较传统RO减少40%）。研究指出该技术具有显著环境效益和工业应用前景，但仍需突破规模化成本和技术瓶颈。

　　全球水资源短缺问题日益严重，已经成为制约许多地区可持续发展的关键挑战。随着人口增长、农业和工业活动的扩张，对淡水的需求持续上升，而同时，由于气候变化和不可持续的水资源管理，可用水资源却在减少。面对这一严峻形势，科学家和工程师们不断探索新的解决方案，其中，海水淡化技术被视为缓解水资源短缺的重要手段之一。目前，全球已有超过22,000座海水淡化设施，每天可提供约1.15至1.2亿立方米的淡水。然而，现有的海水淡化技术，如反渗透（RO）、多效蒸馏（MED）和多级闪蒸（MSF），虽然已被证明在大规模应用中具备可行性，但它们通常依赖高能耗，并伴随着显著的环境影响。例如，海水反渗透的能耗范围为2.5至4 kWh/m3，而热法淡化如MSF和MED的能耗甚至更高，分别达到13.5–25.5 kWh/m3和6.5–11 kWh/m3。这种高能耗不仅增加了运行成本，还导致了大量温室气体排放和燃料消耗。此外，这些技术在运行过程中会产生大量高盐度和高化学添加剂浓度的卤水，若未经处理直接排放，会对周边海洋生态系统造成长期损害。

为了克服这些局限性，研究人员和工程师们正在积极寻求更加节能和可持续的海水淡化方案。其中，正向渗透（FO）与反渗透（RO）的结合——即FO-RO混合系统，正逐渐成为一种具有潜力的解决方案。FO-RO系统通过整合两种技术的优势，既能够实现海水淡化，又能够促进废水的再利用。与传统的海水反渗透系统相比，FO-RO混合系统在能耗方面表现出明显的优势。一些研究指出，虽然传统的海水反渗透通常需要2.5至4.0 kWh/m3的能耗，但FO-RO混合系统可以将能耗降低至1.5至3.5 kWh/m3，具体数值取决于操作条件和回收率。这种降低的能耗不仅有助于节省能源，还减少了对环境的影响，从而为海水淡化和废水处理提供了更环保的选择。

FO-RO混合系统的核心优势在于其独特的运作机制。FO利用自然的渗透压梯度，通过将淡水从低浓度的原水溶液（Feed Solution）传输到高浓度的抽提溶液（Draw Solution），实现水的分离。而RO则依赖于外部的液压压力，通过强制水分子穿过半透膜，留下盐分和其他溶质。FO的运作不需要高压，因此降低了对能量的需求。此外，FO能够有效稀释海水，降低进入RO单元前的盐度，从而减少RO所需的处理压力，进一步提升整体系统的能量效率。这种稀释过程不仅有助于降低能耗，还能减少RO膜的污染和结垢问题，延长其使用寿命，同时优化资源利用，减少化学试剂的使用和废物的产生。

尽管FO-RO混合系统展现出巨大的潜力，但其在大规模应用中仍面临一些挑战。其中，膜污染是FO技术的一个主要问题。膜污染指的是污染物在膜表面或膜孔中积累，形成沉积物，从而降低水通量并影响系统效率。污染的发生与多种因素有关，包括流体动力学条件、进水成分以及膜材料和性能。另一个挑战是浓度极化（Concentration Polarization, CP），这指的是溶质在膜表面或膜孔中的积累或稀释，导致渗透压发生变化，影响水的传输效率。浓度极化分为外部浓度极化（External Concentration Polarization, ECP）和内部浓度极化（Internal Concentration Polarization, ICP）。ECP发生在膜表面，而ICP则发生在膜的支撑层中。这些现象不仅降低了系统性能，还增加了运行成本和维护需求。

此外，反向溶质渗透（Reverse Solute Flux, RSF）也是FO-RO系统的一个重要挑战。RSF指的是抽提溶质通过膜进入原水溶液，从而减少水通量的驱动力。这种现象通常与膜材料和操作条件密切相关，尤其是在多价离子存在的情况下，RSF可能会加剧膜污染和结垢。尽管FO技术在某些方面表现出色，如低能耗和高适应性，但其膜污染问题仍需通过技术创新加以解决。近年来，研究人员提出了多种策略来缓解这些问题，包括使用膜间隔器、超声波技术以及膜表面改性等。例如，膜间隔器能够促进膜表面的湍流，提高水通量并减少污染；超声波技术则通过在膜表面施加高频声波，产生微小扰动，有助于缓解浓度极化和污染。此外，一些研究还尝试通过改性膜材料，如聚多巴胺、两性离子、亲水性或石墨烯氧化物涂层，来提高膜的亲水性，减少有机和无机沉积，同时增强膜的长期稳定性。

在实际应用方面，FO-RO混合系统已经取得了一定的进展。目前，世界上仅有少数几个FO-RO系统被成功实施，其中最著名的是阿曼的Al Khaluf海水淡化厂，这是全球首个使用FO技术的商业化海水淡化厂。该厂的日处理能力为100立方米，通过FO-RO技术，实现了比传统RO系统低42%的能耗和38.89%的淡水回收率。另一个实例是美国加利福尼亚州橙县先进水处理设施（Advanced Water Purification Facility, AWPFE）进行的FO-RO试点项目。该项目在2017年至2019年间运行，使用平板FO膜和RO组件，成功实现了89.5至90.3%的回收率。然而，该项目也面临一些挑战，如频繁的有机污染和硅酸盐结垢，以及膜在压力波动下的剥离问题。因此，尽管FO-RO系统在实验室和试点阶段表现良好，但要实现大规模应用，仍需进一步的技术改进和优化。

从经济角度来看，FO-RO混合系统虽然在运营成本方面具有优势，但其初始投资成本较高。FO膜的成本通常在每平方米50至100美元之间，而RO膜的成本则在25至40美元之间。这种较高的初始投资是FO-RO系统在大规模应用中面临的障碍之一。然而，随着技术的进步和膜材料的优化，FO膜的成本有望进一步降低，从而提高系统的经济可行性。此外，FO-RO系统的运营成本可以通过降低能耗、减少膜污染和降低化学清洁需求来优化。一些研究指出，使用FO作为RO的预处理步骤可以降低运营成本高达30%。例如，一项经济分析表明，FO-RO系统的平均水通量至少需要达到5.45 LMH，才能在经济上与传统的SWRO系统竞争。如果水通量低于这一阈值，FO-RO系统的生产成本将高于传统RO系统。

从可持续性的角度来看，FO-RO混合系统在减少环境影响方面具有显著优势。通过使用处理过的废水作为FO的原水，该系统不仅能够减少对淡水的依赖，还能降低废水排放对环境的污染。此外，FO技术可以有效稀释海水，减少卤水的盐度和化学添加剂浓度，从而降低卤水对海洋生态系统的潜在危害。一些研究还指出，FO-RO系统在碳足迹方面优于传统RO系统，其单位水产量的碳排放量仅为0.78 kg CO? eq./m3，而传统RO系统则达到1.28 kg CO? eq./m3。因此，FO-RO系统在实现可持续水资源管理方面具有重要的应用潜力。

尽管FO-RO混合系统展现出诸多优势，但其大规模应用仍面临一定的挑战。其中，系统可扩展性是主要障碍之一。目前，FO膜的成本较高，且FO模块在设计和制造上缺乏标准化，导致其在安装和运行过程中面临更高的成本和复杂性。此外，FO模块的高压力降和低装填密度也增加了系统的整体成本。因此，要实现FO-RO系统的规模化应用，需要进一步的技术创新和优化，包括降低膜成本、提高模块标准化程度以及改进系统设计，以减少压力损失和提高装填密度。

未来的研究方向应聚焦于如何进一步优化FO-RO系统的性能和可扩展性。这包括开发更高效的FO膜材料和涂层技术，以提高水通量和盐分拒绝率，同时减少污染和结垢。此外，FO-RO系统与可再生能源的结合也是一个重要的研究方向。太阳能、风能等可再生能源的利用不仅可以降低系统的能源成本，还能减少对化石燃料的依赖，提高系统的可持续性。例如，一些研究探讨了太阳能驱动的FO-RO系统，通过使用光伏（PV）、太阳能热、光伏热（PVT）以及太阳能驱动的界面蒸发等技术，为FO系统提供所需的热能或电能。这种集成方式有助于降低抽提溶液再生过程中的能耗，从而提高整个系统的能源效率。

总之，FO-RO混合系统作为一种创新的海水淡化和废水再利用技术，展现了显著的潜力。然而，要实现其大规模应用，仍需克服一系列技术、经济和环境方面的挑战。未来的研究应致力于开发更高效的膜材料和涂层技术，优化系统设计以提高可扩展性，并探索与可再生能源的结合，以进一步降低能耗和提高可持续性。通过这些努力，FO-RO系统有望成为未来海水淡化和废水处理的重要解决方案，为全球水资源短缺问题提供有效的应对策略。