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纳滤膜技术在饮用水深度处理中的应用现状

北极星水处理网  来源:净水技术  作者:张平允等  2017/11/17 8:28:28  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:反渗透膜 纳滤膜 饮用水水质

北极星水处理网讯:1 纳滤膜(NF)的定义与分离机理

纳滤膜(NF)早期被称为“低压反渗透膜”或“疏松反渗透膜”,是一种介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间的新型的压力驱动膜。

NF膜孔径为纳米级(10-9 m),截留分子量在200~2 000 Da(道尔顿),NF膜的孔径通常为0.5~1 nm,选择性分离直径大于l nm左右的溶解组分,可以有效截留二价及以上离子、有机小分子(分子量≥200 Da),但是使大部分一价无机盐透过,从而实现高低分子量有机物的选择性分离。NF融合了两种截留机理:筛分效应和Donnan效应。膜的筛分效应,是指膜孔径为纳米级(10-9 m),可以选择性截留分子量大于纳米级孔径的溶质。筛分效应主要选择性截留不带电荷的物质,基于分子量或分子大小和形状(而不管其离子电荷如何)将不同分子量的物质进行选择性分离,如图1所示。膜的Donnan效应又称为电荷效应,是指带负电的膜与溶液中盐分的阴离子之间的电斥力作用,而选择性截留带有正电荷的多价正离子的渗透,提高脱盐率。NF膜可高度截留多价盐(截留率≥96%),例如硫酸镁(MgSO4),而不管其进料浓度如何。它也截留一价盐,例如氯化钠,典型截留率为0~50%,取决于进料浓度。

纳滤膜技术在饮用水深度处理中的应用现状

图1 膜对溶质的截留分子量

疏松RO膜与NF不同,它是一种对所有盐(一价和多价)均具有较低截留率的RO膜。纳滤(NF)与反渗透(RO)膜典型分离性能对比如表 1所示。表1中,四种类型膜应用过程中的盐截留率变化为:标准RO>低压RO>致密性NF>疏松性NF,而能耗变化则与盐截留率变化相反:标准RO<低压RO<致密性NF<疏松性NF。NF在较低压力下仍具有较高脱盐率的原因可用Donnan效应解释。NF具有的特点如下:(1)纳米级孔径:截留分子量在200~1 000 Da,选择性分离大于l nm左右的溶解组分。(2)截留效果:二价及以上价位离子>单价离子,一价盐的脱除率低于90%,二价盐脱除率高于90%。NF对阴离子的截留率顺序为NO3-

表1 NF与RO膜典型性能对比

纳滤膜技术在饮用水深度处理中的应用现状

纳滤膜技术在饮用水深度处理中的应用现状

由表1可知,与常规RO膜相比,NF膜主要的技术特点是低压力、低能耗,常规NF的运行压力在5 bar左右,节能效果显著。NF膜对偏硅酸的截留率低,可以保留大部分偏硅酸,从饮用水的角度考虑可以保留有益的矿物质,膜系统的角度考虑,由于没有硅结垢问题,所以系统回收率不受偏硅酸含量的影响;NF膜对碳酸氢根的截留率不高,从饮用水的角度考虑可以保留部分碱度,从膜系统的角度考虑,碳酸钙结构倾向小,系统回收率受LSI影响较小。NF由于结垢问题不易出现,无需或只需要少量的阻垢剂,膜污染压力较轻,化学清洗的频率较低,因此药剂用量少,运行费用低且化学污染排放少,因此NF可以设置较高的系统回收率,一方面提高了水利用率,另一方面减小浓水排放的压力。此外,NF膜出水pH变化小,出水可直接输入市政管网(腐蚀问题),碱度、TDS适当、去除了绝大部分硫酸盐,适当降低了TDS,因此出水口感好。

2 NF膜在饮用水处理中的应用

饮用水水质安全问题直接关系到广大人民群众身体健康,保障饮用水水质安全,是维护公众健康的重要基础,是基本民生问题。饮用水水质安全已成为政府、公众和广大科技工作者共同关注的热点问题之一。近年来,随着科学技术的发展和进步,人们对水体污染认识的逐步提升,公众对饮用水水质标准的要求不断提高。NF可有效应用于去除有机物和色度、降低TDS浓度、软化水质。理论状态下,纳滤膜能完全除去大分子的有害有机物,同时选择性除去多余的无机物(出水应TDS<300 mg/L,最大不超过500 mg/L),对一价离子的截留率≤40%,对二价离子的截留率≥90%以上,并且可以选择性截留分子量200~1 000 Da的中性溶质。所以,纳滤膜在低分子有机物分级、水质软化、脱盐等方面具有独特的优势。

2.1 脱盐

水中Ca2+、Mg2+离子的总含量体现了水的总硬度。纳滤技术能够去除绝大部分的Ca、Mg等离子,因此脱盐(desalination)是纳滤技术应用最多的领域。采用FilmTech的NF-70和NF-45膜经过二步纳滤分离(操作压力:0.5~0.7 Mpa),脱除70%的一价离子及85%~95%的硬度,水质硬度降低了10~20倍。然后进行氯化处理,即可制成适合饮用的标准饮用水。NF不但可直接用于地下水、地表水和海水的软化,还可以作为反渗透(Reverse osmosis,RO)、太阳能光伏脱盐装置(Photovoltaic-powered desalination system)等的预处理。

氟化物会对生物体的牙齿和骨骼系统产生严重危害,而纳滤处理能够有效减少水中氟化物的含量。NF对饮用水中的硝酸盐具有较好的去除率,当饮用水中硝酸根离子的浓度为300 µg/L时,NF90的去除率可达90%。此外,NF膜还可有效除砷,研究结果显示,NF膜对As(Ⅴ)的去除率远大于As(Ⅲ),不同型号的NF膜对As(Ⅴ)的平均去除率为89%~96%,而对As(Ⅲ)的去除率一般都低于50%。

NF技术不仅可以除氟、痕量铀(0.02 mg/L,VI)、碱金属和碱土金属离子,降低水中的溶解性盐类的含量,还可以改善口感。随着高端饮用水的开发和普及,口感已成为评价饮用水质量的一项重要指标。

延伸阅读:

科技动态|石墨烯膜:让海水变成饮用水

环保部印发《饮用水水源保护区划分技术规范(征求意见稿)》

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