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軟化水設(shè)備：納濾膜性質(zhì)特點(diǎn)及在水處理的應(yīng)用解析
作者：網(wǎng)站管理員 來(lái)源：本站原創(chuàng) 日期：2021-3-10 11:38:30 點(diǎn)擊：4880 屬于：技術(shù)文件
納濾（NF）膜的研制與應(yīng)用較反滲透膜大約晚20年。20世紀(jì)70年代J·E·Cadotte研究NS-300膜，即為研究NF膜的開(kāi)始。當(dāng)時(shí)，以色列脫鹽公司用“混合過(guò)濾”（hybridfiltration）來(lái)表示介于反滲透與超濾之間的膜分離過(guò)程，稱為松散反滲透（looseRO）膜。后來(lái)美國(guó)的Filmtec公司把這種膜技術(shù)稱為納濾，一直沿用至今。之后，納濾技術(shù)發(fā)展得很快，膜組件于80年代中期商品化。目前，納濾技術(shù)已成為世界膜分離領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
(1)納濾膜定義
到目前為止，對(duì)納濾膜的準(zhǔn)確定義、機(jī)制、特征等的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不充分。學(xué)術(shù)界比較統(tǒng)一的解釋納濾膜的定義包括以下七個(gè)方面：
①納濾膜介于反滲透和超濾膜之間，其膜表面分離皮層可能具有納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)。
②相對(duì)于反滲透膜NaCI的脫除率均在95%以上，一般將NaCI脫除率為90%以下的膜均可稱之為納濾膜。
③反滲透膜幾乎對(duì)所有溶質(zhì)都有很高的脫除率，而納濾膜只對(duì)特定的溶質(zhì)具有脫除率。
④納濾膜孔徑在1nm以上，一般1～2nm。
⑤主要去除一個(gè)納米左右的溶質(zhì)粒子，截留分子量在200～1000道爾頓。
⑥反滲透膜幾乎均為聚酰胺材質(zhì)，而納濾膜材料可采用多種材質(zhì)，如醋酸纖維素、醋酸-三醋酸纖維素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺復(fù)合材料和無(wú)機(jī)材料等。
⑦一般納濾膜的表面形成高聚物電解質(zhì)因而常常有較強(qiáng)的負(fù)電荷性。
(2)納濾原理
納濾原理與超濾及反滲透等膜分離過(guò)程一樣，納濾也是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程，是一個(gè)不可逆過(guò)程。其分離機(jī)制可以運(yùn)用電荷模型（空間電荷模型和固定電荷模型）、細(xì)孔模型以及近年來(lái)才提出的靜電排斥和立體阻礙模型等來(lái)描述。與其他膜分離過(guò)程比較，納濾的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能截留透過(guò)超濾膜的小分子量的有機(jī)物，又能透析反滲透膜所截留的部分無(wú)機(jī)鹽——也就是能使“濃縮”與脫鹽同步進(jìn)行。
NF膜分離需要的跨膜壓差一般為0.5～2.0MPa，比用反滲透膜達(dá)到同樣的滲透能量所必須施加的壓差低0.5～3MPa。在同等的外加壓力下，納濾的通量要比反滲透大得多，而在通量一定時(shí)，納濾所需的壓力則比反滲透的低很多。所以用納濾代替反滲透時(shí)，“濃縮”過(guò)程可更有效、快速地進(jìn)行，并達(dá)到較大的“濃縮”倍數(shù)。一般來(lái)講，在使用納濾膜進(jìn)行的膜分離過(guò)程中，溶液中各種溶質(zhì)的截留率有如下規(guī)律：
①隨著摩爾質(zhì)量的增加而增加；
②在給定進(jìn)料濃度的情況下，隨著跨膜壓差的增加而增加；
③在給定壓力的情況下，隨著濃度的增加而下降；
④對(duì)于陰離子來(lái)說(shuō)，按NO3-、CI-、OH-、SO42-、CO42-順序上升。
⑤對(duì)于陽(yáng)離子來(lái)說(shuō)，按H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+順序上升。
①軟化：膜軟化水主要是利用納濾膜對(duì)不同價(jià)態(tài)離子的選擇透過(guò)特性而實(shí)現(xiàn)對(duì)水的軟化。膜軟化在去硬度的同時(shí)，還可以去除其中的濁度、色度和有機(jī)物，其出水水質(zhì)明顯優(yōu)于其他軟化工藝。而且膜軟化具有無(wú)須再生、無(wú)污染產(chǎn)生、操作簡(jiǎn)單、占地面積省等優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
膜軟化在美國(guó)已很普遍，佛羅里達(dá)州近10多年來(lái)新的軟化水廠都采用膜法軟化，代替常規(guī)的石灰軟化和離子交換過(guò)程。近幾年來(lái)，隨著納濾性能的不斷提高，納濾膜組件的價(jià)格不斷下降，膜軟化法在投資、操作、維護(hù)等方面已優(yōu)于或接近于常規(guī)法。
②用于去除水中有機(jī)物：納濾膜在飲水處理中除了軟化之外，多用于脫色、去除天然有機(jī)物與合成有機(jī)物（如農(nóng)藥等）、三致物質(zhì)、消毒副產(chǎn)物（三鹵甲烷和鹵乙酸）及其前體和揮發(fā)性有機(jī)物，保證飲用水的生物穩(wěn)定性等。
三致物質(zhì)的去除：研究表明，納濾膜能夠去除水中大部分的有毒有害的有機(jī)物和Ames致突變物，使TA98及TA100菌株在各試驗(yàn)劑量下的致突比MR值均小于2，Ames試驗(yàn)結(jié)果呈陰性。進(jìn)一步的研究將要考察納濾技術(shù)對(duì)飲水中的內(nèi)分泌干擾物質(zhì)的截留特性，為安全優(yōu)質(zhì)飲水提供依據(jù)。
消毒副產(chǎn)物及其前體物的去除：消毒副產(chǎn)物主要包括三鹵甲烷（THMs）、鹵乙酸（HAAs）和可能的三氯乙醛氫氧化物（CH）。國(guó)外的科技工作者在這方面已開(kāi)展了廣泛的研究，納濾膜對(duì)這三種消毒副產(chǎn)物的前體物的平均截留率分別為97%、94%和86%。通過(guò)合適的納濾膜的選用,可以使得飲用水水質(zhì)滿足更高的安全優(yōu)質(zhì)飲水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
此外，納濾出水是低腐蝕性的，對(duì)飲用水管網(wǎng)的使用期和管道金屬離子的溶出有正面的影響，有利于保護(hù)配水系統(tǒng)的所有材科。試驗(yàn)表明采用必要后處理的納濾膜系統(tǒng)能夠使管網(wǎng)中鉛的溶解減少50%，同時(shí)使其他溶出的金屬離子濃度滿足飲水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。
揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的去除：對(duì)飲用水中痕量揮發(fā)性有機(jī)物具有較高的去除率。
在管道直飲水中的應(yīng)用：納濾可以截留二價(jià)以上的離子和其他顆粒，所透過(guò)的只有水分子和一些一價(jià)的離子(如鈉、鉀、氯離子)。納濾可以用于生產(chǎn)直飲水，出水中仍保留一定的離子，并可降低處理費(fèi)用。
(1)納濾膜定義
到目前為止，對(duì)納濾膜的準(zhǔn)確定義、機(jī)制、特征等的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不充分。學(xué)術(shù)界比較統(tǒng)一的解釋納濾膜的定義包括以下七個(gè)方面：
①納濾膜介于反滲透和超濾膜之間，其膜表面分離皮層可能具有納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)。
②相對(duì)于反滲透膜NaCI的脫除率均在95%以上，一般將NaCI脫除率為90%以下的膜均可稱之為納濾膜。
③反滲透膜幾乎對(duì)所有溶質(zhì)都有很高的脫除率，而納濾膜只對(duì)特定的溶質(zhì)具有脫除率。
④納濾膜孔徑在1nm以上，一般1～2nm。
⑤主要去除一個(gè)納米左右的溶質(zhì)粒子，截留分子量在200～1000道爾頓。
⑥反滲透膜幾乎均為聚酰胺材質(zhì)，而納濾膜材料可采用多種材質(zhì)，如醋酸纖維素、醋酸-三醋酸纖維素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺復(fù)合材料和無(wú)機(jī)材料等。
⑦一般納濾膜的表面形成高聚物電解質(zhì)因而常常有較強(qiáng)的負(fù)電荷性。
(2)納濾原理
納濾原理與超濾及反滲透等膜分離過(guò)程一樣，納濾也是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程，是一個(gè)不可逆過(guò)程。其分離機(jī)制可以運(yùn)用電荷模型（空間電荷模型和固定電荷模型）、細(xì)孔模型以及近年來(lái)才提出的靜電排斥和立體阻礙模型等來(lái)描述。與其他膜分離過(guò)程比較，納濾的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能截留透過(guò)超濾膜的小分子量的有機(jī)物，又能透析反滲透膜所截留的部分無(wú)機(jī)鹽——也就是能使“濃縮”與脫鹽同步進(jìn)行。
NF膜分離需要的跨膜壓差一般為0.5～2.0MPa，比用反滲透膜達(dá)到同樣的滲透能量所必須施加的壓差低0.5～3MPa。在同等的外加壓力下，納濾的通量要比反滲透大得多，而在通量一定時(shí)，納濾所需的壓力則比反滲透的低很多。所以用納濾代替反滲透時(shí)，“濃縮”過(guò)程可更有效、快速地進(jìn)行，并達(dá)到較大的“濃縮”倍數(shù)。一般來(lái)講，在使用納濾膜進(jìn)行的膜分離過(guò)程中，溶液中各種溶質(zhì)的截留率有如下規(guī)律：
①隨著摩爾質(zhì)量的增加而增加；
②在給定進(jìn)料濃度的情況下，隨著跨膜壓差的增加而增加；
③在給定壓力的情況下，隨著濃度的增加而下降；
④對(duì)于陰離子來(lái)說(shuō)，按NO3-、CI-、OH-、SO42-、CO42-順序上升。
⑤對(duì)于陽(yáng)離子來(lái)說(shuō)，按H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+順序上升。
(3)納濾膜應(yīng)用
①軟化：膜軟化水主要是利用納濾膜對(duì)不同價(jià)態(tài)離子的選擇透過(guò)特性而實(shí)現(xiàn)對(duì)水的軟化。膜軟化在去硬度的同時(shí)，還可以去除其中的濁度、色度和有機(jī)物，其出水水質(zhì)明顯優(yōu)于其他軟化工藝。而且膜軟化具有無(wú)須再生、無(wú)污染產(chǎn)生、操作簡(jiǎn)單、占地面積省等優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
膜軟化在美國(guó)已很普遍，佛羅里達(dá)州近10多年來(lái)新的軟化水廠都采用膜法軟化，代替常規(guī)的石灰軟化和離子交換過(guò)程。近幾年來(lái)，隨著納濾性能的不斷提高，納濾膜組件的價(jià)格不斷下降，膜軟化法在投資、操作、維護(hù)等方面已優(yōu)于或接近于常規(guī)法。
②用于去除水中有機(jī)物：納濾膜在飲水處理中除了軟化之外，多用于脫色、去除天然有機(jī)物與合成有機(jī)物（如農(nóng)藥等）、三致物質(zhì)、消毒副產(chǎn)物（三鹵甲烷和鹵乙酸）及其前體和揮發(fā)性有機(jī)物，保證飲用水的生物穩(wěn)定性等。
三致物質(zhì)的去除：研究表明，納濾膜能夠去除水中大部分的有毒有害的有機(jī)物和Ames致突變物，使TA98及TA100菌株在各試驗(yàn)劑量下的致突比MR值均小于2，Ames試驗(yàn)結(jié)果呈陰性。進(jìn)一步的研究將要考察納濾技術(shù)對(duì)飲水中的內(nèi)分泌干擾物質(zhì)的截留特性，為安全優(yōu)質(zhì)飲水提供依據(jù)。
消毒副產(chǎn)物及其前體物的去除：消毒副產(chǎn)物主要包括三鹵甲烷（THMs）、鹵乙酸（HAAs）和可能的三氯乙醛氫氧化物（CH）。國(guó)外的科技工作者在這方面已開(kāi)展了廣泛的研究，納濾膜對(duì)這三種消毒副產(chǎn)物的前體物的平均截留率分別為97%、94%和86%。通過(guò)合適的納濾膜的選用,可以使得飲用水水質(zhì)滿足更高的安全優(yōu)質(zhì)飲水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
此外，納濾出水是低腐蝕性的，對(duì)飲用水管網(wǎng)的使用期和管道金屬離子的溶出有正面的影響，有利于保護(hù)配水系統(tǒng)的所有材科。試驗(yàn)表明采用必要后處理的納濾膜系統(tǒng)能夠使管網(wǎng)中鉛的溶解減少50%，同時(shí)使其他溶出的金屬離子濃度滿足飲水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。
揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的去除：對(duì)飲用水中痕量揮發(fā)性有機(jī)物具有較高的去除率。
在管道直飲水中的應(yīng)用：納濾可以截留二價(jià)以上的離子和其他顆粒，所透過(guò)的只有水分子和一些一價(jià)的離子(如鈉、鉀、氯離子)。納濾可以用于生產(chǎn)直飲水，出水中仍保留一定的離子，并可降低處理費(fèi)用。
