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納濾膜技術在飲用水深度處理中的應用現狀

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納濾膜技術在飲用水深度處理中的應用現狀

發布日期:2017-11-20 00:00 來源:http://www.q2pz.com 點擊:

納濾膜技術在飲用水深度處理中的應用現狀

1 納濾(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“疏松反滲透膜”,是一種介于反滲透膜(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,選擇性分離直徑大于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于納米級孔徑的溶質。篩分效應主要選擇性截留不帶電荷的物質,基于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%,取決于進料濃度。

納濾膜技術在飲用水深度處理中的應用現狀

圖1 膜對溶質的截留分子量

疏松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>致密性NF>疏松性NF,而能耗變化則與鹽截留率變化相反:標準RO<低壓RO<致密性NF<疏松性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,選擇性分離大于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,一價鹽的脫除率低于90%,二價鹽脫除率高于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

納濾膜技術在飲用水深度處理中的應用現狀

納濾膜技術在飲用水深度處理中的應用現狀

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膜對偏硅酸的截留率低,可以保留大部分偏硅酸,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,由于沒有硅結垢問題,所以系統回收率不受偏硅酸含量的影響;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堿度,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由于結垢問題不易出現,無需或只需要少量的阻垢劑,膜污染壓力較輕,化學清洗的頻率較低,因此藥劑用量少,運行費用低且化學污染排放少,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),堿度、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系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,人們對水體污染認識的逐步提升,公眾對飲用水水質標準的要求不斷提高。NF可有效應用于去除有機物和色度、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,同時選擇性除去多余的無機物(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,并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。采用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。然后進行氯化處理,即可制成適合飲用的標準飲用水。NF不但可直接用于地下水、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)的去除率遠大于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)的去除率一般都低于50%。

NF技術不僅可以除氟、痕量鈾(0.02 mg/L,VI)、堿金屬和堿土金屬離子,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。

由于海水含鹽量高、硬度大、濁度變動大,極容易在短時間內對反滲透膜造成污染。為了防止海水對反滲透膜的過快污染,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預處理工藝具有占地小、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預處理后,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污染物,從而大大提高了反滲透RO膜的淡水回收率。


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