納濾膜分離技術(shù)處理水污染的應(yīng)用及前景分析

    1.納濾膜的定義及分離原理

    1.1納濾膜的定義、特點

    NF膜早期被稱為松散反滲透(LooseRO)膜，是80年代初繼典型的RO復(fù)合膜之后開發(fā)出來的?？蛇@樣來論述“納濾”的概念：適宜于分離分子量在200g/mol以上，分子大小約為1nm的溶解組分的膜工藝。

    納濾膜的一個特點是具有離子選擇性：具有一價陰離子的鹽可以大量滲過膜(但并不是無阻擋的)，然而膜對具有多價陰離子的鹽(例如硫酸鹽和碳酸鹽)的截留率則高得多。因此，鹽的滲透性主要由陰離子的價態(tài)決定。

    1.2納濾膜的分離原理

    納濾過程之所以具有離子選擇性，是由于在膜上或者膜中有負(fù)的帶電基團(tuán)，它們通過靜電互相作用，阻礙多價離子的滲透。根據(jù)說明，可能的荷電密度為0.5～2meq/g.

    為此，我們可用道南效應(yīng)加以解釋：

    ηj=μj+zj.F.φ

    式中ηj——電化學(xué)勢;

    μj——化學(xué)勢;

    zj——被考查組分的電荷數(shù);

    F——每摩爾簡單荷電組分的電荷量(稱為法拉第常數(shù));

    φ——相的內(nèi)電位，并且具有電壓的量綱。

    式中的電化學(xué)勢不同于熟知的化學(xué)勢，是由于附加了zj.F.φ項，該項包括了電場對滲透離子的。利用此式，可以推導(dǎo)出體系中的離子分布，以出納濾膜的分離性能。[3]

    1.2.1對有機物的分離

    納濾對于有機溶質(zhì)的分離屬于篩網(wǎng)效應(yīng)，其脫除率主要與相對分子質(zhì)量大小和分子形狀有關(guān)。由于有機物分子不能被膜的表面排斥，而且有機物傾向于降低溶液與膜之間的表面張力，因此一些相對分子質(zhì)量小于100的有機物分子很容易聚集在膜表面，容易通過膜的孔隙;相對分子質(zhì)量在100～200之間的有機物分子能被脫除一部分;相對分子質(zhì)量在200以上的有機物分子，基本上能被完全分離。

    1.2.2對無機物的分離

    NF膜大多為荷電膜，其對無機鹽的分離行為不僅由化學(xué)勢梯度控制，同時也受到電勢梯度的影響，即膜的行為與其荷電性能以及溶質(zhì)荷電狀態(tài)和相互作用都有關(guān)系。根據(jù)Donnan平衡模型，將荷電基團(tuán)的膜置于鹽溶液時，溶液中的反離子即與膜所帶電荷相反的離子，在膜內(nèi)的濃度大于其在主體溶液中的濃度;而同名離子即與膜所帶電荷相同的離子，在膜內(nèi)的濃度低于其在主體溶液中的濃度，由此形成了Donnan位差，阻止了同名離子從主體溶液向膜內(nèi)的擴(kuò)散，為了保持電中性，反離子同時被膜截留。該模型是把截留率看作膜的電荷容量、進(jìn)料液中溶質(zhì)的濃度以及離子的荷電數(shù)的函數(shù)來進(jìn)行預(yù)測的，但沒考慮擴(kuò)散和對流的影響，而這些作用在真實的荷電膜中的影響不容忽視。[4]

    2.納濾膜技術(shù)在微污染水處理中的應(yīng)用

    水源中對人體極為有害甚至具有“三致”作用的有機污染物具有以下特性：(1)分子量在800以下，主要在200左右;(2)非極性或中等極性;(3)多核芳烴。納濾膜技術(shù)的特點決定了其在飲用水制備方面具有獨特的作用，主要體現(xiàn)在對各種有害有毒有機物及無極鹽類的去除，可有效截留雜質(zhì)、細(xì)菌和病原菌，去除水中各類微量有機污染物，特別是高毒及具有“三致”作用的污染物。依據(jù)電荷效應(yīng)，納濾膜可以降低水質(zhì)硬度，去除飲用水中對人體有害的硝酸鹽、砷、氟化物和重金屬等無機污染物;依據(jù)篩分效應(yīng)，納濾膜可以有效地去除農(nóng)藥殘留物、三氯甲烷及其中間體、環(huán)境荷爾蒙物質(zhì)、激素以及天然有機物等有機污染物[5]。納濾技術(shù)用于處理受微污染的飲用水，具有分離效率高、易控制、工藝流程簡捷，使用靈活，對無機物去除率低，膜的結(jié)垢和污染程度輕，膜通量高，產(chǎn)水不需礦化等特點，使用NF膜從含鹽量不高的水源獲得優(yōu)質(zhì)飲用水，出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定、安全性高、生物穩(wěn)定性好，同時可以降低消毒加氯量。林耀軍等[6]用活性炭-納濾組合工藝技術(shù)對珠江三角洲地區(qū)自來水進(jìn)行了飲水深度處理試驗研究，結(jié)果表明，該工藝可有效去除有機物、消毒副產(chǎn)物、氨氮及亞硝酸鹽等有毒有害物質(zhì)，對有機微污染物去除率高達(dá)80%以上，可使凈化水達(dá)到較高飲水標(biāo)準(zhǔn)。

    使用納濾膜處理微污染水，不但能有效去除水中的無機和有機污染物等有害物質(zhì)，能滿足對飲用水中高毒及“三致”作用的有機物去除的要求，而且對水中的Ca2+、NaCl等礦物質(zhì)截留率低，從而保留水中一部分人體所需的礦物質(zhì)，是處理微污染水和制備優(yōu)質(zhì)飲用水的有效方法，在飲用水深度處理中有廣闊的應(yīng)用前景。

    3.應(yīng)用前景

    使用納濾膜分離技術(shù)進(jìn)行水處理存在膜污染、膜穩(wěn)定性和膜組件的造價成本高等問題，這些問題在一定程度上限制了納濾膜技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。其中，NOM被認(rèn)為是造成膜污染的主要因素，NOM對納濾膜的滲透性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘土或其他無機膠體的影響，即使在濃度較低時也是如此。因此，了解由NOM所造成的膜污染的原因并找到對策是膜污染控制的主要挑戰(zhàn)。而膜組件的成本除了市場的因素外，主要由膜材料和膜組件的制備工藝所決定，因此，要降低膜組件的成本，一方面要開發(fā)易得價廉的材料和加強制膜工藝的研究，另一方面，對膜組件的各方面應(yīng)用的大力研究使得其膜組件市場需求的提提高，也有助于成本的降低。隨著膜技術(shù)的發(fā)展，膜組件成本高及膜污染、清洗問題的解決，將使膜技術(shù)在廢水處理中有越來越廣泛的應(yīng)用，在解決全球水資源危機中發(fā)揮重要的作用。目前，我國地表水普遍污染嚴(yán)重，不僅隨著工業(yè)污染使得大量的有機污染物進(jìn)入水源水，而且由于農(nóng)業(yè)中大量地使用化肥和農(nóng)藥，致使水源水農(nóng)藥的含量較高，這使得使用常規(guī)的工藝處理難以達(dá)到安全飲水標(biāo)準(zhǔn)，如能采用納濾膜處理工藝，不僅能大幅度地提高出水水質(zhì)，保障居民的飲水健康，而且能極大地節(jié)省占地面積和相應(yīng)的征地費，減少基建投資。因此納濾膜分離技術(shù)可望成為21世紀(jì)安全飲用水保障的重要途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

    4.結(jié)束語

    隨著城市的日益擴(kuò)大和工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水被排放到江河湖泊中，通過工農(nóng)業(yè)使用和生活等人類活動而進(jìn)入水體，使城市周圍地表水體的污染不斷呈加重趨勢，尤其是數(shù)以萬種的人工合成有機物、農(nóng)藥、重金屬離子、氨氮及放射性物質(zhì)等有害污染物，這些物質(zhì)大多難以生物降解，在環(huán)境中有一定的殘留水平，具有生物富集性、“致畸、致癌、致突變”三致作用和毒性，若直接進(jìn)入食物鏈，對公眾健康將產(chǎn)生嚴(yán)重危害。如今，水源水受到污染已是不爭的事實，并成為了世界范圍內(nèi)普遍面臨的問題，常規(guī)制水工藝如混凝、沉淀、過濾工藝只能去除水中約20～30%的有機物[1]，難達(dá)到飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，尋求和研究有效的微污染飲用水深度處理技術(shù)成為了必然的選擇。納濾技術(shù)(NF)是介于超濾(UF)和反滲透(RO)之間的一種新型壓力驅(qū)動型膜分離技術(shù)，由于其截留的顆粒比超濾小些，操作壓力低，因而近十幾年來得以迅速發(fā)展。納濾膜在壓力作用下，由于水通量與壓力成正比，而水透過率比反滲透大些，其中的無機小分子透過率幾乎與壓力無關(guān)，因此只要適當(dāng)控制壓力便可既去除水中有毒、有害物質(zhì)，又可適量保留小分子的微量元素，能夠?qū)崿F(xiàn)“最大程度地去除原水中的有毒有害物質(zhì)，同時又保留原水中對人體有益的微量元素和礦物質(zhì)的飲用水”已經(jīng)達(dá)到很好的水質(zhì)目標(biāo)