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随着人口增加和经济发展，水资源短缺已经成为制约人类社会发展的重要因素之一。海水占全球水资源总量的97％以上，因此海水淡化是解决水资源短缺最有效的方法之一。反渗透(Reverse Osmosis，RO)是一个不存在相变的物理分离过程，与传统蒸馏等热法分离技术相比产水能耗大幅下降。近几十年，RO技术由于其产水能耗较低、产水水质高的特点成为海水淡化中应用最广泛的技术，我国70％左右的海水淡化工厂使用反渗透海水淡化(Reverse osmosis seawater desalination，S WRO)技术。在实际SWRO过程中，由于需要高压操作，产水能耗依然很高，目前最先进的SWRO工厂产水能耗仍有进一步下降的空间;此外，目前SWRO膜对海水中的微量元素硼截留性能较差，一级RO产水硼含量无法满足使用要求，需要进行深度处理。正渗透(Forward osmosis，FO)是一种以半透膜两侧溶液的渗透压差为驱动力，水从低浓度一侧向高浓度一侧扩散的膜过程。由于是渗透压驱动，无需高压操作，FO过程的产水能耗极低。此外，FO过程还具有截留性能高、膜污染程度轻和操作简单等特性，有极大的潜力应用于海水淡化工艺中。
本文的主要研究内容为探究FO技术在海水淡化中应用的可行性。针对目前SWRO技术产水能耗高的问题，提出了使用FO技术作预处理的FO-纳滤(Nanofiltration，NF)-RO海水淡化工艺，在明确纳滤型正渗透膜(NF-likeFO膜)预处理海水效能的基础上，系统地评价了FO-NF-RO海水淡化工艺的经济技术可行性;针对SWRO过程中一级RO出水需要进一步进行深度处理降低硼含量的问题，提出使用肥料驱动正渗透(Fertilizer drawn forward osmosis，FDFO)过程对RO一级出水进行深度处理，首先系统地探究了FDFO过程操作条件对其除硼性能和单位产水能耗(Specific energy consumption，SEC)的影响，然后进一步明确了RO-FDFO海水淡化工艺高效除硼和生产农业灌溉水的可行性。本论文主要研究结论如下:
(1)FO-NF-RO海水淡化工艺中，NF-likeFO膜可有效截留海水中的溶解性有机物(Dissolved organic matter, DOM)和二价离子，使用FO过程预处理海水具有可行性;后续NF过程可有效截留二价离子，实现汲取液(Draw solution，DS)的回收;RO过程可有效截留NaCl生产淡水，工艺产水溶解性总固体(Total dissolvedsolids，TDS)在120-500mg/L，小于我国饮用水水质标准1000mg/L的要求。
(2)FO-NF-RO海水淡化工艺中，FO过程的SEC主要取决于水通量和水回收率;NF和RO过程的SEC主要取决于是否使用能量回收装置(Energy recovery device，ERD)，使用ERD后NF和RO过程的SEC均下降了35％左右;FO-NF-RO工艺总的SEC主要来源于高压的NF和RO过程，使用ERD后工艺总SEC下降了30％左右。
(3)FO-NF-RO海水淡化工艺中，工艺最小SEC为3.02kWh/m3，与常规SWRO工艺的SEC相当(3.10 kWh/m3);FO-NF-RO工艺最小单位产水成本(Specific water cost，SWC)为5.47元/m3，略低于常规SWRO工艺的SWC(7.17元/m3)。使用NF-likeFO膜的FO过程是一个有效的海水淡化预处理工艺，FO-NF-RO海水淡化工艺具有实际应用的潜力。
(4)RO-FDFO海水淡化工艺中，FDFO过程的操作条件对其除硼性能和产水能耗有不同程度的影响，其中pH变化主要通过改变硼在溶液中的存在形态从而影响FDFO过程的除硼性能，其它操作条件的变化主要通过影响硼的外浓差极化(External concentration polarization，ECP)从而影响除硼性能;不同操作条件主要通过影响FDFO过程的水通量，进一步改变SEC。
(5)RO-FDFO海水淡化工艺中，FDFO过程的最佳操作条件为:DSpH=11.0，原料液(Feed solution, FS)与DS体积比为1∶1，运行流速为15cm/s，操作温度25℃。在该实验条件下，FDFO过程稀释后的DS硼含量最低为0.4mg/L，FDFO过程SEC最小为0.17kWh/m3。在上述条件下，RO-FDFO与RO-RO工艺产水硼含量和产水能耗相当，表明FDFO过程有替代二级RO进行海水淡化生产农业灌溉水的潜力。
本文的主要研究内容为探究FO技术在海水淡化中应用的可行性。针对目前SWRO技术产水能耗高的问题，提出了使用FO技术作预处理的FO-纳滤(Nanofiltration，NF)-RO海水淡化工艺，在明确纳滤型正渗透膜(NF-likeFO膜)预处理海水效能的基础上，系统地评价了FO-NF-RO海水淡化工艺的经济技术可行性;针对SWRO过程中一级RO出水需要进一步进行深度处理降低硼含量的问题，提出使用肥料驱动正渗透(Fertilizer drawn forward osmosis，FDFO)过程对RO一级出水进行深度处理，首先系统地探究了FDFO过程操作条件对其除硼性能和单位产水能耗(Specific energy consumption，SEC)的影响，然后进一步明确了RO-FDFO海水淡化工艺高效除硼和生产农业灌溉水的可行性。本论文主要研究结论如下:
(1)FO-NF-RO海水淡化工艺中，NF-likeFO膜可有效截留海水中的溶解性有机物(Dissolved organic matter, DOM)和二价离子，使用FO过程预处理海水具有可行性;后续NF过程可有效截留二价离子，实现汲取液(Draw solution，DS)的回收;RO过程可有效截留NaCl生产淡水，工艺产水溶解性总固体(Total dissolvedsolids，TDS)在120-500mg/L，小于我国饮用水水质标准1000mg/L的要求。
(2)FO-NF-RO海水淡化工艺中，FO过程的SEC主要取决于水通量和水回收率;NF和RO过程的SEC主要取决于是否使用能量回收装置(Energy recovery device，ERD)，使用ERD后NF和RO过程的SEC均下降了35％左右;FO-NF-RO工艺总的SEC主要来源于高压的NF和RO过程，使用ERD后工艺总SEC下降了30％左右。
(3)FO-NF-RO海水淡化工艺中，工艺最小SEC为3.02kWh/m3，与常规SWRO工艺的SEC相当(3.10 kWh/m3);FO-NF-RO工艺最小单位产水成本(Specific water cost，SWC)为5.47元/m3，略低于常规SWRO工艺的SWC(7.17元/m3)。使用NF-likeFO膜的FO过程是一个有效的海水淡化预处理工艺，FO-NF-RO海水淡化工艺具有实际应用的潜力。
(4)RO-FDFO海水淡化工艺中，FDFO过程的操作条件对其除硼性能和产水能耗有不同程度的影响，其中pH变化主要通过改变硼在溶液中的存在形态从而影响FDFO过程的除硼性能，其它操作条件的变化主要通过影响硼的外浓差极化(External concentration polarization，ECP)从而影响除硼性能;不同操作条件主要通过影响FDFO过程的水通量，进一步改变SEC。
(5)RO-FDFO海水淡化工艺中，FDFO过程的最佳操作条件为:DSpH=11.0，原料液(Feed solution, FS)与DS体积比为1∶1，运行流速为15cm/s，操作温度25℃。在该实验条件下，FDFO过程稀释后的DS硼含量最低为0.4mg/L，FDFO过程SEC最小为0.17kWh/m3。在上述条件下，RO-FDFO与RO-RO工艺产水硼含量和产水能耗相当，表明FDFO过程有替代二级RO进行海水淡化生产农业灌溉水的潜力。