納濾技術(shù)簡(jiǎn)介及水處理中的應(yīng)用

1、納濾技術(shù)簡(jiǎn)介及水處理中的應(yīng)用一、納濾技術(shù)簡(jiǎn)介納濾（NF）是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一種介于反滲透和超濾之間 的新型膜分離技術(shù)。納濾膜的截留相對(duì)分子質(zhì)量為2001000,膜孔徑約為lnm, 適宜分離大小約為lnm的溶解組分，故稱為“納濾”。納濾的操作壓力通常為 0.5-1.0MPa, 一般比反滲透低0.53 MPa,并且由于其對(duì)料液中無機(jī)鹽的分離 性能，因此納濾乂被稱為“疏松反滲透”或“氐壓反滲透”。納濾技術(shù)是為了適應(yīng)工 業(yè)軟化水及降低成本的需要而發(fā)展起來的一種新型的壓力驅(qū)動(dòng)膜過濾。納濾膜分離在常溫下進(jìn)行，無相變，無化學(xué)反應(yīng)，不破壞生物活性，能有效 地截留二價(jià)及高價(jià)離子和相對(duì)分于質(zhì)量高于2

2、00的有機(jī)小分子，而使大部分一 價(jià)無機(jī)鹽透過，可分離同類氨基酸和蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高分子量和低分子量有機(jī)物的 分離，且成本比傳統(tǒng)工藝低，因而被廣泛應(yīng)用于超純水的制備、食品、化工、醫(yī) 藥、生化、環(huán)保、冶金等領(lǐng)域的各種濃縮和分離過程。納濾膜的一個(gè)顯著特征是膜表面或膜中存在帶電基團(tuán)，因此納濾膜分離具有 兩個(gè)特性，即篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)。分子量大于膜的截留分子量的物質(zhì)，將被膜 截留，反之則透過，這就是膜的篩分效應(yīng)。膜的電荷效應(yīng)乂稱為Donnan效應(yīng)， 是指離子與膜所帶電荷的靜電相互作用。對(duì)不帶電荷的分子的過濾主要是靠篩分 效應(yīng)。利用篩分效應(yīng)可以將不同分子量的物質(zhì)分離；而對(duì)帶有電荷的物質(zhì)的過濾 主要是靠荷電效應(yīng)

3、。納濾與超濾、反滲透一樣，均是以壓力差為驅(qū)動(dòng)力的膜過程，但其傳質(zhì)機(jī)理 有所不同。一般認(rèn)為，超濾膜由于孔徑較大，傳質(zhì)過程主要為篩分效應(yīng)；反滲透 膜屬于無孔膜，其傳質(zhì)過程為溶解一擴(kuò)散過程（靜電效應(yīng)）；納濾膜存在納米級(jí) 微孔，且大部分荷負(fù)電，對(duì)無機(jī)鹽的分離行為不僅受化學(xué)勢(shì)控制，同時(shí)也受電勢(shì) 梯度的影響。對(duì)于純電解質(zhì)溶液，同性離子會(huì)被帶電的膜活性層所排斥，而如果同性離子 為多價(jià)，則截留率會(huì)更高。同時(shí)為了保持電荷平衡，反離子也會(huì)被截留，導(dǎo)致電 遷移流動(dòng)與對(duì)流方向相反。但是，帶多價(jià)反離子的共離子較帶單價(jià)反離子的共離 子的截留率要低，這可能是由多價(jià)反離子對(duì)膜電荷的吸附和屏蔽作用所致。對(duì)于 兩種同性離子混合物

4、溶液，根據(jù)唐南理論，與它們各自的單純鹽溶液相比，多價(jià) 共離子比單價(jià)共離子更容易被截留。兩種共離子的混合液，由于它們遷移率的不 同，使低遷移率的反離子的截留逐漸減少而高遷移的反離子的濃度增加，造成電 流和電遷移的”抵消、納濾膜對(duì)極性小分子有機(jī)物的選擇性截留是基于溶質(zhì)的尺寸和電荷。溶質(zhì)的 傳遞可以理解為以下兩步：第一步，根據(jù)離子所帶的電荷選擇性地吸附在膜的表面；第二步，在擴(kuò)散、對(duì)流、電泳移動(dòng)性的共同作用下傳遞通過膜。納濾膜的特點(diǎn)如下：對(duì)不同價(jià)態(tài)的離子截留效果不同，對(duì)二價(jià)和高價(jià)離子的截留率明顯高于單 價(jià)離子。對(duì)陰離子的截留率按下列順序遞增：NO3-；YC|-<OH-<SO2-<CO

5、32-;對(duì)陽離 子的截留率按下列順序遞增：H+<Na+<Kt<Mg+<Ca2+4-<Cu2+o對(duì)離子的截留受離子半徑的影響。在分離同種離子時(shí)，離子價(jià)數(shù)相等時(shí) 離子半徑越小，膜對(duì)該離子的截留率越小。離子價(jià)數(shù)越大，膜對(duì)該離子的截留率 越高。截留相對(duì)分子質(zhì)量為200-1000,適用于分子大小為lnm的溶解組分的分 離。對(duì)疏水型膠體油、蛋白質(zhì)和其他有機(jī)物具有較強(qiáng)的抗污染性，與反滲透膜相 比，納濾膜具有操作壓力低、通量大的特點(diǎn);與微濾膜相比，納濾膜乂具有截留 低分子量物質(zhì)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。對(duì)許多中等分子量的溶質(zhì)，如消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物、 農(nóng)藥等微量有機(jī)物、致突變物等雜質(zhì)能有效去除

6、。納濾能截留透過超濾膜的小分 子量有機(jī)物、部分透過被反滲透膜所截留的無機(jī)鹽離子。納濾與電滲析、離子交 奐和傳統(tǒng)熱蒸發(fā)技術(shù)相比，可以同時(shí)脫鹽兼濃縮，在有機(jī)物與無機(jī)物混合物的濃 縮與分離方面具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。納濾膜由于其膜孔徑尺寸及表面化學(xué)特性，可以應(yīng)用于多價(jià)鹽離子與單價(jià)鹽 離子的分離、高分子量有機(jī)物與低分子量有機(jī)物的去除。納濾對(duì)單價(jià)鹽的脫除率 較低。二、納濾技術(shù)在水處理中的應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展在為社會(huì)創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問 題，越來越多的海洋、湖泊及河流等由于大量工業(yè)廢水的排入而被污染，給人類 及動(dòng)植物的生存造成嚴(yán)重威脅。納濾膜由于其特殊的分離性能被成功地應(yīng)用于制 糖、造紙

7、、電鍍、機(jī)械加工等行業(yè)廢水(液)的處理上。1、印染廢水印染廢水是加工棉、麻、化學(xué)纖維及其混紡產(chǎn)品為主的印染廠排出的廢水。 印染廢水水量較大，每印染加工It紡織品耗水1002003其中80%90%成 為一般印染廢水pH為613,色度可達(dá)1000倍,CODcr為4004 000mg/L, BODs為1001000mg/L。印染廢水一般具有污染物濃度高、種類多、含多種有 毒有害成分、色度高、鹽度高等特點(diǎn)。由于印染廢水具有色度高、鹽度高的特點(diǎn)，經(jīng)過適當(dāng)預(yù)處理降低其COD、SS 等污染物質(zhì)濃度后，可以通過納濾對(duì)其進(jìn)行脫鹽處理。謝春生、黃瑞敏等在試驗(yàn)中采用曝氣生物濾池+納濾工藝結(jié)合的方法處理印 染廢水，試

8、驗(yàn)取得了良好的效果，處理出水水質(zhì)能滿足設(shè)計(jì)的回用水水質(zhì)要習(xí)研 究結(jié)果表明，在水力負(fù)荷為1.02 m3/ (m2 h)時(shí)，曝氣生物濾池對(duì)COD的去 除率為31.4%,混凝沉淀和機(jī)械過濾的納濾預(yù)處理工藝的出水濁度平均為 1.64NTU,出水SDI均值為4.1o曝氣生物濾池與混凝沉淀+過濾作為納濾的預(yù)處 理，出水基本能夠滿足納濾系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)要求。當(dāng)進(jìn)水TDS為37504280 mg/L時(shí)，納濾系統(tǒng)的平均脫鹽率為96.1%。膜污染后對(duì)其進(jìn)行化學(xué)清洗，化學(xué) 清洗后水回收恢復(fù)至系統(tǒng)運(yùn)行初期的94%,脫鹽率并未發(fā)生變化?？梢?，納濾 能夠用做印染廢水的凈化再生處理。2、電鍍廢水鍍加工和合金生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需

9、要大量水沖洗，在這些清掃水中含有度相 當(dāng)高的重金屬如銀、鐵、銅和鋅等。為了使這些含重金屬離子的廢水符合排放要 求，一般的處理工藝是混凝、沉淀工藝，如果采用納濾膜技術(shù)，不僅可以回收90% 以上的廢水使之回用，而且同時(shí)使?jié)饪s液中重金屬含量提高10倍，濃縮后的重 金屬具有回收利用價(jià)值。在提高效益的同時(shí)降低了成本。若控制適當(dāng)條件，納濾膜可實(shí)現(xiàn)溶液中不同金屬的分離。如Cd和Ni的分 離，先將它們轉(zhuǎn)化為CdCl2和NiCl,加入NaCl后使之分別形成荷電絡(luò)合物和非 荷電合物。NaCl濃度為0.5mol/L時(shí)，在溶液中鎘的主要存在形式是CdC12,但 是銀臬離子方式存在，用帶正電的納濾膜截留銀離子，而讓鎘自

10、由通過，即可實(shí) 現(xiàn)金屬離子間的分離。劉久清、李新海等采用絡(luò)合一超濾一納濾耦合工藝對(duì)含銅電鍍廢水處理進(jìn)行 了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)以聚丙烯酸鈉（PAAN）為絡(luò)合劑首先將電鍍廢水中Ci?+絡(luò)合， 通過超濾將與絡(luò)合劑結(jié)合的銅離子及其他大分子有機(jī)污染物濃縮，產(chǎn)出凈水回用。 然后，通過向解絡(luò)反應(yīng)器內(nèi)加入H2s04,將絡(luò)合劑與C/+的結(jié)合狀態(tài)打破，絡(luò) 后濃縮液再次進(jìn)入超濾系統(tǒng)，將絡(luò)合物回收，而濃縮液最后進(jìn)入納濾處理裝置將 Cu2+進(jìn)一步濃縮，產(chǎn)出凈水，而濃縮液中Cu2+由于經(jīng)過多次濃縮，濃度較高，可 以回收利用。3、離子交換樹脂再生廢水離子交換樹脂是指帶有官能團(tuán)（有交換離子的活性基團(tuán)）、具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、 不溶性的高

11、分子化合物，其外形通常是球形顆粒物。由于離子交換樹脂對(duì)水中陰 陽離子具有強(qiáng)的交換吸附能力，廣泛應(yīng)用于水的除鹽、脫色等處理過程。當(dāng)離子 交換樹脂達(dá)到吸附飽和后需要對(duì)其進(jìn)行再生處理，再生過程中產(chǎn)生的廢水COD 值一般并不高（200500mg/L）,但其BOD/COD<0.1,且產(chǎn)生量較大，是典型的 難降解廢水。對(duì)于該類廢水中難降解有機(jī)物的去除，可以通過納濾技術(shù)實(shí)現(xiàn)。羅春、丁桓如等對(duì)納濾法處理某電廠離子交換樹脂再生廢水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)究。 研究表明，電廠離子交換樹脂再生廢水中所含有機(jī)物的分子量絕大部分都小于 1000,在納濾的截留分子量范圍之內(nèi)，而在超濾的截留分子量范圍之外。因此， 采用納濾處理該類

12、廢水從理論上講是合理的。納濾處理出水的TOC濃度穩(wěn)定在 14-18 mg/L,能達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。4、飲用水制備內(nèi)濾膜最大的應(yīng)用領(lǐng)域是飲用水的軟化和有機(jī)物的脫除。傳統(tǒng)的飲用水凈化 處理主要采用混凝、沉淀、砂濾、消毒的工藝，這一工藝主要用于去除水中懸浮 物和細(xì)菌，而對(duì)于水中溶解性的有機(jī)污染物及硬度的去除效率較低。隨著水資源 的匱乏和水污染的加劇，飲用水安全問題越來越受到人們的重視，傳統(tǒng)凈水工藝 已不能滿足日益提高的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。膜處理技術(shù)用于飲用水制備近年來逐漸得到廣泛應(yīng)用。微濾、超濾、反滲透 用于飲用水生產(chǎn)存在著不同程度的缺陷，納濾是最適用于飲用水生產(chǎn)的技術(shù)。微 濾主要用于去除水體

13、中懸浮物、微生物，而不能去除有機(jī)污染物、重金屬等。超 濾可以有效去除水中大分子有機(jī)物，但不能去除重金屬等有毒有害的無機(jī)鹽類及 小分子有機(jī)污染物。反滲透能夠有效去除水中有機(jī)污染物及無機(jī)鹽類，但其將水 中對(duì)人體有益的一價(jià)無機(jī)鹽離子全都去除，出水并不適宜用作飲用水。相比之下, 納濾技術(shù)則更適宜用于飲用水生產(chǎn)。納濾既能將水中小分子的有機(jī)污染物(分子 量介于2001000)、重金屬離子、硬度離子等多價(jià)無機(jī)鹽離子去除，乂能較好 地保留對(duì)人體有益的一價(jià)無機(jī)鹽離子，處理出水能夠滿足飲用水的水質(zhì)要求。位于法國(guó)巴黎梅里奧塞(Mery-sur-Oise)地區(qū)的巴黎梅里奧塞水廠是全球最 大的采用納濾技術(shù)凈化地表水的水廠，其日平均處理量達(dá)18萬3該廠能為所 在地區(qū)80