纳滤膜分离技术处理水污染的应用及前景分析

      NF膜早期被称为松散反渗透（LooseRO）膜，是80年代初继典型的RO复合膜之后开发出来的。可这样来论述“纳滤”的概念：适宜于分离分子量在200g/mol以上，分子大小约为1nm的溶解组分的膜工艺。

      纳滤对于有机溶质的分离属于筛网效应，其脱除率主要与相对分子质量大小和分子形状有关。由于有机物分子不能被膜的表面排斥，而且有机物倾向于降低溶液与膜之间的表面张力，因此一些相对分子质量小于100的有机物分子很容易聚集在膜表面，容易通过膜的孔隙;相对分子质量在100～200之间的有机物分子能被脱除一部分;相对分子质量在200以上的有机物分子，基本上能被完全分离。

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      纳滤膜的一个特点是具有离子选择性：具有一价阴离子的盐可以大量渗过膜（但并不是无阻挡的），然而膜对具有多价阴离子的盐（例如硫酸盐和碳酸盐）的截留率则高得多。因此，盐的渗透性主要由阴离子的价态决定。

      NF膜大多为荷电膜，其对无机盐的分离行为不仅由化学势梯度控制，同时也受到电势梯度的影响，即膜的行为与其荷电性能以及溶质荷电状态和相互作用都有关系。根据Donnan平衡模型，将荷电基团的膜置于盐溶液时，溶液中的反离子即与膜所带电荷相反的离子，在膜内的浓度大于其在主体溶液中的浓度;而同名离子即与膜所带电荷相同的离子，在膜内的浓度低于其在主体溶液中的浓度，由此形成了Donnan位差，阻止了同名离子从主体溶液向膜内的扩散，为了保持电中性，反离子同时被膜截留。

      纳滤过程之所以具有离子选择性，是由于在膜上或者膜中有负的带电基团，它们通过静电互相作用，阻碍多价离子的渗透。根据说明，可能的荷电密度为0.5～2meq/g.

      为此，我们可用道南效应加以解释：

      ηj=μj+zj.F.φ

      式中ηj——电化学势;

      μj——化学势;

      zj——被考查组分的电荷数;

      F——每摩尔简单荷电组分的电荷量（称为法拉第常数）;

      φ——相的内电位，并且具有电压的量纲。

      式中的电化学势不同于熟知的化学势，是由于附加了zj.F.φ项，该项包括了电场对渗透离子的。利用此式，可以推导出体系中的离子分布，以出纳滤膜的分离性能。

      该模型是把截留率看作膜的电荷容量、进料液中溶质的浓度以及离子的荷电数的函数来进行预测的，但没考虑扩散和对流的影响，而这些作用在真实的荷电膜中的影响不容忽视。

      依据电荷效应，纳滤膜可以降低水质硬度，去除饮用水中对人体有害的硝酸盐、砷、氟化物和重金属等无机污染物;依据筛分效应，纳滤膜可以有效地去除农药残留物、三氯甲烷及其中间体、环境荷尔蒙物质、激素以及天然有机物等有机污染物。纳滤技术用于处理受微污染的饮用水，具有分离效率高、易控制、工艺流程简捷，使用灵活，对无机物去除率低，膜的结垢和污染程度轻，膜通量高，产水不需矿化等特点，使用NF膜从含盐量不高的水源获得优质饮用水，出水水质优质稳定、安全性高、生物稳定性好，同时可以降低消毒加氯量。

      用活性炭-纳滤组合工艺技术对珠江三角洲地区自来水进行了饮水深度处理试验研究，结果表明，该工艺可有效去除有机物、消毒副产物、氨氮及亚硝酸盐等有毒有害物质，对有机微污染物去除率高达80%以上，可使净化水达到较高饮水标准。

      使用纳滤膜处理微污染水，不但能有效去除水中的无机和有机污染物等有害物质，能满足对饮用水中高毒及“三致”作用的有机物去除的要求，而且对水中的Ca2+、NaCl等矿物质截留率低，从而保留水中一部分人体所需的矿物质，是处理微污染水和制备优质饮用水的有效方法，在饮用水深度处理中有广阔的应用前景。

      而膜组件的成本除了市场的因素外，主要由膜材料和膜组件的制备工艺所决定，因此，要降低膜组件的成本，一方面要开发易得价廉的材料和加强制膜工艺的研究，另一方面，对膜组件的各方面应用的大力研究使得其膜组件市场需求的提提高，也有助于成本的降低。随着膜技术的发展，膜组件成本高及膜污染、清洗问题的解决，将使膜技术在废水处理中有越来越广泛的应用，在解决全球水资源危机中发挥重要的作用。目前，我国地表水普遍污染严重，不仅随着工业污染使得大量的有机污染物进入水源水，而且由于农业中大量地使用化肥和农药，致使水源水农药的含量较高，这使得使用常规的工艺处理难以达到安全饮水标准，如能采用纳滤膜处理工艺，不仅能大幅度地提高出水水质，保障居民的饮水健康，而且能极大地节省占地面积和相应的征地费，减少基建投资。因此纳滤膜分离技术可望成为21世纪安全饮用水保障的重要途径，具有广阔的应用前景。

      水源中对人体极为有害甚至具有“三致”作用的有机污染物具有以下特性：（1）分子量在800以下，主要在200左右;（2）非极性或中等极性;（3）多核芳烃。纳滤膜技术的特点决定了其在饮用水制备方面具有独特的作用，主要体现在对各种有害有毒有机物及无极盐类的去除，可有效截留杂质、细菌和病原菌，去除水中各类微量有机污染物，特别是高毒及具有“三致”作用的污染物。

      随着城市的日益扩大和工农业的迅猛发展，大量的生活污水和工农业废水被排放到江河湖泊中，通过工农业使用和生活等人类活动而进入水体，使城市周围地表水体的污染不断呈加重趋势，尤其是数以万种的人工合成有机物、农药、重金属离子、氨氮及放射性物质等有害污染物，这些物质大多难以生物降解，在环境中有一定的残留水平，具有生物富集性、“致畸、致癌、致突变”三致作用和毒性，若直接进入食物链，对公众健康将产生严重危害。

      使用纳滤膜分离技术进行水处理存在膜污染、膜稳定性和膜组件的造价成本高等问题，这些问题在一定程度上限制了纳滤膜技术的大规模应用。其中，NOM被认为是造成膜污染的主要因素，NOM对纳滤膜的渗透性能的影响远远大于粘土或其他无机胶体的影响，即使在浓度较低时也是如此。因此，了解由NOM所造成的膜污染的原因并找到对策是膜污染控制的主要挑战。

      如今，水源水受到污染已是不争的事实，并成为了世界范围内普遍面临的问题，常规制水工艺如混凝、沉淀、过滤工艺只能去除水中约20～30%的有机物，难达到饮用水水质卫生规范的标准，寻求和研究有效的微污染饮用水深度处理技术成为了必然的选择。

      纳滤膜在压力作用下，由于水通量与压力成正比，而水透过率比反渗透大些，其中的无机小分子透过率几乎与压力无关，因此只要适当控制压力便可既去除水中有毒、有害物质，又可适量保留小分子的微量元素，能够实现“最大程度地去除原水中的有毒有害物质，同时又保留原水中对人体有益的微量元素和矿物质的饮用水”已经达到很好的水质目标。