納濾膜技術在飲用水深度處理中的應用現狀

2020-12-04 中國水網

1 納濾膜(NF)的定義與分離機理

納濾膜(NF)早期被稱為「低壓反滲透膜」或「疏鬆反滲透膜」，是一種介於反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間的新型的壓力驅動膜。

NF膜孔徑為納米級(10-9 m)，截留分子量在200~2 000 Da(道爾頓)，NF膜的孔徑通常為0.5~1 nm，選擇性分離直徑大於l nm左右的溶解組分，可以有效截留二價及以上離子、有機小分子(分子量≥200 Da)，但是使大部分一價無機鹽透過，從而實現高低分子量有機物的選擇性分離。NF融合了兩種截留機理：篩分效應和Donnan效應。膜的篩分效應，是指膜孔徑為納米級(10-9 m)，可以選擇性截留分子量大於納米級孔徑的溶質。篩分效應主要選擇性截留不帶電荷的物質，基於分子量或分子大小和形狀(而不管其離子電荷如何)將不同分子量的物質進行選擇性分離，如圖1所示。膜的Donnan效應又稱為電荷效應，是指帶負電的膜與溶液中鹽分的陰離子之間的電斥力作用，而選擇性截留帶有正電荷的多價正離子的滲透，提高脫鹽率。NF膜可高度截留多價鹽(截留率≥96%)，例如硫酸鎂(MgSO4)，而不管其進料濃度如何。它也截留一價鹽，例如氯化鈉，典型截留率為0~50%，取決於進料濃度。

圖1 膜對溶質的截留分子量

疏鬆RO膜與NF不同，它是一種對所有鹽(一價和多價)均具有較低截留率的RO膜。納濾(NF)與反滲透(RO)膜典型分離性能對比如表 1所示。表1中，四種類型膜應用過程中的鹽截留率變化為：標準RO>低壓RO>緻密性NF>疏鬆性NF，而能耗變化則與鹽截留率變化相反：標準RO<低壓RO<緻密性NF<疏鬆性NF。NF在較低壓力下仍具有較高脫鹽率的原因可用Donnan效應解釋。NF具有的特點如下：(1)納米級孔徑：截留分子量在200~1 000 Da，選擇性分離大於l nm左右的溶解組分。(2)截留效果：二價及以上價位離子>單價離子，一價鹽的脫除率低於90%，二價鹽脫除率高於90%。NF對陰離子的截留率順序為NO3-

表1 NF與RO膜典型性能對比

由表1可知，與常規RO膜相比，NF膜主要的技術特點是低壓力、低能耗，常規NF的運行壓力在5 bar左右，節能效果顯著。NF膜對偏矽酸的截留率低，可以保留大部分偏矽酸，從飲用水的角度考慮可以保留有益的礦物質，膜系統的角度考慮，由於沒有矽結垢問題，所以系統回收率不受偏矽酸含量的影響;NF膜對碳酸氫根的截留率不高，從飲用水的角度考慮可以保留部分鹼度，從膜系統的角度考慮，碳酸鈣結構傾向小，系統回收率受LSI影響較小。NF由於結垢問題不易出現，無需或只需要少量的阻垢劑，膜汙染壓力較輕，化學清洗的頻率較低，因此藥劑用量少，運行費用低且化學汙染排放少，因此NF可以設置較高的系統回收率，一方面提高了水利用率，另一方面減小濃水排放的壓力。此外，NF膜出水pH變化小，出水可直接輸入市政管網(腐蝕問題)，鹼度、TDS適當、去除了絕大部分硫酸鹽，適當降低了TDS，因此出水口感好。

2 NF膜在飲用水處理中的應用

飲用水水質安全問題直接關係到廣大人民群眾身體健康，保障飲用水水質安全，是維護公眾健康的重要基礎，是基本民生問題。飲用水水質安全已成為政府、公眾和廣大科技工作者共同關注的熱點問題之一。近年來，隨著科學技術的發展和進步，人們對水體汙染認識的逐步提升，公眾對飲用水水質標準的要求不斷提高。NF可有效應用於去除有機物和色度、降低TDS濃度、軟化水質。理論狀態下，納濾膜能完全除去大分子的有害有機物，同時選擇性除去多餘的無機物(出水應TDS<300 mg/L，最大不超過500 mg/L)，對一價離子的截留率≤40%，對二價離子的截留率≥90%以上，並且可以選擇性截留分子量200~1 000 Da的中性溶質。所以，納濾膜在低分子有機物分級、水質軟化、脫鹽等方面具有獨特的優勢。

2.1 脫鹽

水中Ca2+、Mg2+離子的總含量體現了水的總硬度。納濾技術能夠去除絕大部分的Ca、Mg等離子，因此脫鹽(desalination)是納濾技術應用最多的領域。採用FilmTech的NF-70和NF-45膜經過二步納濾分離(操作壓力：0.5~0.7 Mpa)，脫除70%的一價離子及85%~95%的硬度，水質硬度降低了10~20倍。然後進行氯化處理，即可製成適合飲用的標準飲用水。NF不但可直接用於地下水、地表水和海水的軟化，還可以作為反滲透(Reverse osmosis，RO)、太陽能光伏脫鹽裝置(Photovoltaic-powered desalination system)等的預處理。

氟化物會對生物體的牙齒和骨骼系統產生嚴重危害，而納濾處理能夠有效減少水中氟化物的含量。NF對飲用水中的硝酸鹽具有較好的去除率，當飲用水中硝酸根離子的濃度為300 µg/L時，NF90的去除率可達90%。此外，NF膜還可有效除砷，研究結果顯示，NF膜對As(Ⅴ)的去除率遠大於As(Ⅲ)，不同型號的NF膜對As(Ⅴ)的平均去除率為89%~96%，而對As(Ⅲ)的去除率一般都低於50%。

NF技術不僅可以除氟、痕量鈾(0.02 mg/L，VI)、鹼金屬和鹼土金屬離子，降低水中的溶解性鹽類的含量，還可以改善口感。隨著高端飲用水的開發和普及，口感已成為評價飲用水質量的一項重要指標。

由於海水含鹽量高、硬度大、濁度變動大，極容易在短時間內對反滲透膜造成汙染。為了防止海水對反滲透膜的過快汙染，在進入反滲透裝置之前必須進行有效的預處理。與傳統的預處理方法相比，NF預處理工藝具有佔地小、操作簡單、處理效果好、能耗低等諸多優勢有效降低RO膜兩側的滲透壓，從而顯著提高淡水回收率。

國外有人設計試驗了耦合集成的海水淡化技術：將納濾NF、反滲透(RO)與多級閃急蒸餾(MSF)耦合在一起，經NF預處理後，海水硬度降低了80%以上，總溶解固體TDS下降了約50%，而且去除了所有有機汙染物，從而大大提高了反滲透RO膜的淡水回收率。

編輯：李丹

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