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軟化水設備:納濾膜性質特點及在水處理的應用解析

納濾(NF)膜的研制與應用較反滲透膜大約晚20年。20世紀70年代J·E·Cadotte研究NS-300膜,即為研究NF膜的開始。當時,以色列脫鹽公司用“混合過濾”(hybridfiltration)來表示介于反滲透與超濾之間的膜分離過程,稱為松散反滲透(looseRO)膜。后來美國的Filmtec公司把這種膜技術稱為納濾,一直沿用至今。之后,納濾技術發展得很快,膜組件于80年代中期商品化。目前,納濾技術已成為世界膜分離領域研究的熱點之一。
(1)納濾膜定義
到目前為止,對納濾膜的準確定義、機制、特征等的認識還遠遠不充分。學術界比較統一的解釋納濾膜的定義包括以下七個方面:
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微孔結構。
②相對于反滲透膜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反滲透膜幾乎對所有溶質都有很高的脫除率,而納濾膜只對特定的溶質具有脫除率。
④納濾膜孔徑在1nm以上,一般1~2nm。
⑤主要去除一個納米左右的溶質粒子,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,而納濾膜材料可采用多種材質,如醋酸纖維素、醋酸-三醋酸纖維素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺復合材料和無機材料等。
⑦一般納濾膜的表面形成高聚物電解質因而常常有較強的負電荷性。
(2)納濾原理
納濾原理與超濾及反滲透等膜分離過程一樣,納濾也是以壓力差為推動力的膜分離過程,是一個不可逆過程。其分離機制可以運用電荷模型(空間電荷模型和固定電荷模型)、細孔模型以及近年來才提出的靜電排斥和立體阻礙模型等來描述。與其他膜分離過程比較,納濾的一個優點是能截留透過超濾膜的小分子量的有機物,又能透析反滲透膜所截留的部分無機鹽——也就是能使“濃縮”與脫鹽同步進行。
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,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,“濃縮”過程可更有效、快速地進行,并達到較大的“濃縮”倍數。一般來講,在使用納濾膜進行的膜分離過程中,溶液中各種溶質的截留率有如下規律:
①隨著摩爾質量的增加而增加;
②在給定進料濃度的情況下,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對于陰離子來說,按NO3-、CI-、OH-、SO42-、CO42-順序上升。
⑤對于陽離子來說,按H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+順序上升。
(3)納濾膜應用
納濾膜的這些性能決定了其在飲水處理中特有的廣闊的應用,簡述如下。
①軟化:膜軟化水主要是利用納濾膜對不同價態離子的選擇透過特性而實現對水的軟化。膜軟化在去硬度的同時,還可以去除其中的濁度、色度和有機物,其出水水質明顯優于其他軟化工藝。而且膜軟化具有無須再生、無污染產生、操作簡單、占地面積省等優點,具有明顯的社會效益和經濟效益。
膜軟化在美國已很普遍,佛羅里達州近10多年來新的軟化水廠都采用膜法軟化,代替常規的石灰軟化和離子交換過程。近幾年來,隨著納濾性能的不斷提高,納濾膜組件的價格不斷下降,膜軟化法在投資、操作、維護等方面已優于或接近于常規法。
②用于去除水中有機物:納濾膜在飲水處理中除了軟化之外,多用于脫色、去除天然有機物與合成有機物(如農藥等)、三致物質、消毒副產物(三鹵甲烷和鹵乙酸)及其前體和揮發性有機物,保證飲用水的生物穩定性等。
三致物質的去除:研究表明,納濾膜能夠去除水中大部分的有毒有害的有機物和Ames致突變物,使TA98及TA100菌株在各試驗劑量下的致突比MR值均小于2,Ames試驗結果呈陰性。進一步的研究將要考察納濾技術對飲水中的內分泌干擾物質的截留特性,為安全優質飲水提供依據。
消毒副產物及其前體物的去除:消毒副產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)。國外的科技工作者在這方面已開展了廣泛的研究,納濾膜對這三種消毒副產物的前體物的平均截留率分別為97%、94%和86%。通過合適的納濾膜的選用,可以使得飲用水水質滿足更高的安全優質飲水水質標準。
此外,納濾出水是低腐蝕性的,對飲用水管網的使用期和管道金屬離子的溶出有正面的影響,有利于保護配水系統的所有材科。試驗表明采用必要后處理的納濾膜系統能夠使管網中鉛的溶解減少50%,同時使其他溶出的金屬離子濃度滿足飲水水質標準要求。
揮發性有機物(VOC)的去除:對飲用水中痕量揮發性有機物具有較高的去除率。
在管道直飲水中的應用:納濾可以截留二價以上的離子和其他顆粒,所透過的只有水分子和一些一價的離子(如鈉、鉀、氯離子)。納濾可以用于生產直飲水,出水中仍保留一定的離子,并可降低處理費用

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