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納濾膜法水處理技術

2009/4/8

納濾膜法水處理技術

摘　要：介紹了納濾膜法水處理技術的歷史、發展及現狀，納濾膜的分離特性等。綜述了納濾技術在我國及世界給水領域中的工程應用，應用中存在的問題。
　　關鍵詞：水處理；膜；納濾

NF Membrane in Water Treatment Technology
Qiu Xiaoxia，Yu Shuili，Shi Wenxin
(Haerbin Institute of Technology，Haerbin，150090)

　　Abstract:The recent development of Nanofiltration Membrane separation technology has received attention for application in the field of water treatment, yet it is still a questionable method for wide spread application. The history, development and the current situation has been introduced, as well as the separation characteristics of NF being analyzed in this paper. This article also presents a summary of the application and involved problems of NF membranes separation technology at home and abroad.
　　Key Words:Water treatment; Membrane; Nanofiltration

1 膜技術的發展

　　1748年法國學者Abbe Nollet首次提出了膜分離現象，經過近二個世紀的摸索、研究，20世紀50年代膜分離技術才逐漸發展成為一門新興高技術邊緣學科，1963年第一個膜滲析器的誕生開創了膜分離技術的新紀元，二、三十年來得到了迅猛的發展，在各個工業領域及科研中得到大規模應用，出現了各種有價值的微濾、超濾、納濾和反滲透等分離膜，受到了各個領域的普遍重視。而各種膜分離過程，首先是在水處理方面得到應用，而后推廣到冶金、石油、化工、儀器、醫藥、仿生等諸多領域。

　　目前，微濾、超濾、納濾、反滲透、滲析、電滲析等技術己經廣泛在給水處理、純水制備、海水淡化、苦咸水淡化等水處理領域中得到推廣和應用，并在水處理的各個方面，給傳統的水處理工藝以巨大的沖擊和挑戰。膜分離技術有著傳統的給水處理工藝不可比擬的優點：
　　首先，膜分離技術可適用于從無機物到有機物，從病毒、細菌到微粒甚至特殊溶液體系的廣泛分離，可充分確保水質，且處理效果不受原水水質、運行條件等因素的影響。
　　第二，膜分離過程為物理過程，不需加入化學藥劑，提高了人們對水處理過程的信賴程度，易于為群眾接受，屬為人們稱道的“綠色”技術。
　　第三，膜分離技術分離裝置簡單，占地面積小，系統集成容易，便于運輸、拆卸、安裝，運行環境清潔、整齊，可稱之為真正意義上的“造水工廠”。
　　第四，膜分離過程系統簡單、操作容易，且易控制，便于維修，有利于生產自動化的推廣與普及。
　　作為一種新興的水處理技術，膜分離以其無可非議的先進性得到了世界各國學者們的廣泛關注。

2 納濾技術概述

　　膜分離技術被稱為“二十一世紀的水處理技術”，自70年代應用于水處理領域后，得到了廣泛的研究和空前的發展，受到世界各國水處理工作者的普遍關注，開展了不同水平。不同層次的理論研究和技術開發、應用。在給水處理領域應用最為廣泛的是一系列的低壓膜，如納濾膜、反滲透膜等。其中，納濾膜法水處理技術以其特殊的優勢，獲得了世界各國的水處理工作者的普遍關注，在水處理技術的研究和開發領域取得了可喜的成績。

　　納濾技術是從反滲透技術中分離出來的一種膜分離技術，是超低壓反滲透技術的延續和發展分支。一般認為，納濾膜存在著納米級的細孔，且截留率大于95％的最小分子約為1mm，所以近幾年來這種膜分離技術被命名為：Nanofiltration，簡稱：NF，中文譯為：納濾。在過去的很長一段時間里，納濾膜被稱為超低壓反滲透膜（LPRO：Low Pressure Reverse Osmosis），或稱選擇性反滲透膜或松散反滲透膜（Loose RO：Loose Reverse Osmosis）。日本學者大谷敏郎曾對納濾膜的分離性能進行了具體的定義：操作壓力≤1.50mPa，截留分子量200～1000，NaCl的截留率≤90％的膜可以認為是納濾膜^[1]。現在，納濾技術已經從反滲透技術中分離出來，成為介于超濾和反滲透技術之間的獨立的分離技術，己經廣泛應用于海水淡化、超純水制造、食品工業、環境保護等諸多領域，成為膜分離技術中的一個重要的分支。

3 納濾膜

　　納濾過程的關鍵是納濾膜。對膜材料的要求是：具有良好的成膜性、熱穩定性、化學穩定性、機械強度高、耐酸堿及微生物侵蝕、耐氯和其它氧化性物質、有高水通量及高鹽截留率、抗膠體及懸浮物污染，價格便宜、目前采用的納德膜多為芳香族及聚酸氫類復合納德膜。復合膜為非對稱膜，由兩部分結構組成：一部分為起支撐作用的多孔膜，其機理為篩分作用；另一部分為起分離作用的一層較薄的致密膜，其分離機理可用溶解擴散理論進行解釋。對于復合膜，可以對起分離作用的表皮層和支撐層分別進行材料和結構的優化，可獲得性能優良的復合膜。膜組件的形式有中空纖維、卷式、板框式和管式等。其中，中空纖維和卷式膜組件的填充密度高，造價低，組件內流體力學條件好；但是這兩種膜組件的制造技術要求高，密封困難，使用中抗污染能力差，對料液預處理要求高。而板框式和管式膜組件雖然清洗方便、耐污染，但膜的填充密度低、造價高。因此，在納濾系統中多使用中空纖維式或卷式膜組件。

　　在我國，對納濾過程的理論研究比較早，但對納濾膜的開發尚處于初步階段。在美國、日本等國家，納濾膜的開發已經取得了很大的進展，達到了商品化的程度，如美國Filmtec公司的NF系列納濾膜、日本日東電工的NTR-7400系列納濾膜及東麗公司的UTC系列納濾膜等都是在水處理領域中應用比較廣泛的商品化復合納濾膜。

　　對于一般的反滲透膜，脫鹽率是膜分離性能的重要指標，但對于納濾膜，僅用脫鹽率還不能說明其分離性能。有時，納濾膜對分子量較大的物質的截留率反而低于分子量較小的物質。納濾膜的過濾機理十分復雜。由于納德膜技術為新興技術，因此對納濾的機理研究還處于探索階段，有關文獻還很少。但鑒于納濾是反滲透的一個分支，因此很多現象可以用反滲透的機理模型進行解釋。關于反滲透的膜透過理論^[2]有朗斯代爾、默頓等的溶解擴散理論；里德、布雷頓等的氫鍵理論；舍伍德的擴散細孔流動理論；洛布和索里拉金提出的選擇吸附細孔流動理論和格盧考夫的細孔理論等。

　　納濾膜的過濾性能還與膜的荷電性、膜制造的工藝過程等有關。不同的納濾膜對溶質有不同的選擇透過性，如一般的納濾膜對二價離子的截留率要比一價離子高，在多組分混合體系中，對一價離子的截留率還可能有所降低。納濾膜的實際分離性能還與納濾過程的操作壓力、溶液濃度、溫度等條件有關。如透過通量隨操作壓力的升高而增大，截留率隨溶液濃度的增大而降低等。

4 納濾技術的工程應用

　　納濾膜的孔徑范圍介于反滲透膜和超濾膜之間，其對二價和多價離了及分子量在200～1000之間的有機物有較高的脫除性能，而對單價離子和小分子的脫除率則較低。而且，與反滲透過程相比，納濾過程的操作壓力更低（一般在1.0Mpa左右）；同時由于納濾膜對單價離子和小分子的脫除率低，過程滲透壓較小，所以，在相同條件下，納濾與反滲透相比可節能15％左右^[3]。因而在水處理中，納濾被廣泛應用于飲用水的濃度凈化、水軟化、有機物和生物活性物質的除鹽和濃縮、水中三鹵代物前軀物的去除、不同分子量有機物的分級和濃縮、廢水脫色等領域。

　　Sibille等研究了法國Auverw－sur－Oise市的地下水，對納濾和生物處理飲用水（臭氧—生物活性炭過濾）進行了對比。結果表明，納濾可以顯著提高飲用水的水質，減少細菌數量和有機物的濃度，從而使后續消毒更有效，也減少了三氯甲烷的形成。但是，研究又指出，少量極易被細菌等吸收的可生物降解的有機物質（BOM：Biological Organic Matter）、可同化有機碳（AOC：Assimilable Organic Carbon）也能透過納濾膜。

　　I.C.Escobar等的研究^[4]中，將石灰軟化設備與納濾進行比較。結果表明，納濾系統可有效去除原水中除了AOC以外的幾乎全部溶解性有機碳（DOC：Dissolved Organic Carbon）含量。

　　雖然，納濾技術的工程應用在美國、日本等國家的給水行業中已經得到大規模的推廣，但在我國，將納濾技術廣泛地應用于工程實踐的條件還不成熟，尚處于嘗試階段、本要問題是國產納濾膜的性能指標不夠過關。但目前已有工程實例的報道，如國內首套工業化大規模膜軟化系統——山東長島南隍城納濾示范工程，是納濾技術在高硬度海島苦咸水凈化的實際應用。該工程由國家海洋局杭州水處理中心設計，于1997年4月正式投入生產淡水，系統連續正常運行27個月，淡化水符合國家生活飲用水衛生標準^[5]。

　　有關學者曾采用納濾膜對某市自來水（以污染嚴重的淮河水為原水）進行深度處理試驗，研究了納濾循環制水試驗工藝的效果。結果表明，循環試驗工藝與單級納濾工藝相比，在同樣較低的壓力下，出水率較高，并且能耗降低，減少了濃水排放。即使在回收率較高（80％）的情況下，膜出水中的總有機碳（TOC）仍比自來水低50％；對致會變物的去除十分顯著，使Ames試驗陽性的水轉為陰性^[6]。

5 納濾膜應用中的問題

　　納濾膜有較高的膜通量，可以截留有機及無機污染物，而對人體必需的一些離子又有較大的透過率，因此，把納濾膜應用于飲用水的深度凈化較其它的膜分離技術有較大的優勢。目前，把鋼濾膜應用于給水處理領域的主要問題是：
　　a）膜表面容易形成附著層，使膜的通量顯著下降；
　　b）操作結束后，膜的清洗較困難；
　　c）膜的耐用性差。
　　這三個問題是目前膜分離的基本問題，也是納濾膜法水處理技術難以廣泛應用的主要原因。目前世界各國的水處理工作者正在進行廣泛的研究，尋求解決這些問題的途徑。納濾技術在給水處理領域的推廣應用還依賴于這些問題的進一步解決。

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