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纳滤在水处理与回用中的应用现状与展望

日期:2018年12月4日 09:50

  什么是纳滤膜?

  纳滤作为一种介于超滤和反渗透之间的膜过滤技术,可以高效截留水中的多价盐和有机污染物,同时结合其对单价盐截留率相对较低的特点,纳滤对单价、多价离子混合体系具有很好的选择分离特性。

  为何而存在?

  伴随着低压反渗透膜(reverse osmosis,RO)的诞生而发展的一种新型膜技术。一方面,传统RO的高操作压力造成了巨大的能耗;另一方面,RO的产水水质超过了当时人们对水的实际需求。因而需要一种相对反渗透而言,具有较低的溶质截留率和更大渗透通量的膜分离技术。

  为何取名“纳滤”?

  纳滤膜(nanofiltrationNF)起源于20世纪70年代的一种新型膜技术,纳滤膜最早被称为“疏松的反渗透膜”或“致密的超滤膜”,后来,学者认识到该种膜截留的颗粒物的粒径是纳米级别(~1nm,对应的分子量范围约为150200Da),而并不是膜孔径是纳米级的,改称为“纳滤膜”。

  有何特征?

  纳滤膜具有的两个典型特征:一截留分子量介于反渗透和超滤膜之间,150-2000Da;二是纳滤膜表面分离层通常带有电荷,表面电荷引起的电荷相互作用改变了纳滤膜的传质过程和纳滤膜对不同价态离子的截留能力。

  有何用处?

  纳滤可以处理的水源较多,包括地下水、地表水、污水以及作为脱盐过程前处理工艺的水源等。目前主要应用领域集中在饮用水处理和污水的深度处理与回用等方面,比如:

  1、可去除天然有机物(NOM)、消毒副产物、病毒、农药、砷和其他微污染物;

  2、可同步截留水中的多价盐、有机物、病毒等多种有机和无机组分,达到水质净化的目的。

  3、可作为海水淡化工艺中反渗透的预处理工艺,大大减轻了反渗透实际运行中的结垢污染问题。

  成分与型式是什么?

  目前商用纳滤膜产品通常由聚合物支撑层组成的复合材料设计制作而成,常用的膜材料主要有聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、醋酸纤维素(CA)、聚酰胺(PA)和聚氯乙烯(PVC)等,其中主要是聚酰胺材质通常被用于表面的薄膜层。

  按照膜结构类型主要有螺旋缠绕卷式结构、板框式结构、中空纤维结构、管式结构等,其中主要是螺旋卷式膜结构的膜元件。

  如何判断优劣?

  判断纳滤膜的主要性能指标有:溶剂渗透系数/渗透通量、溶质截留率和产水量/水回收率,与其他压力驱动膜过滤过程相似,通量或者是渗透系数的大小是决定膜性能的关键指标。

  分离特性是什么?

  由于具有荷电效应,纳滤膜对水溶液中单价和多价离子具有选择透过性,对盐的选择透过性:一价离子的截留率较低,二价和多价离子的截留率很高;纳滤膜的截留率主要由分子尺寸、亲疏水性和电荷大小决定。由于受各种因素影响,纳滤膜对溶质的截留率可能因此而高于或低于预期值。

  应用价值

  纳滤饮用水深度净化

  秦磊等人(2010)认为纳滤膜不仅可以去除水中残留的微量化学物质(如农药、杀虫剂等)和消毒副产物(三卤甲烷、卤乙酸等),截留水中藻类、细菌及病原微生物以保证生物安全性,去除重金属等有害的多价离子,保留水中部分对人体有益的矿物质,还能够在水源水质波动和应急性条件下保证最终供水水质的稳定,满足不同水源条件下的用水需求。

  纳滤膜在饮用水深度处理中已有较大规模成功应用实例,且保持着快速强劲的增长势头,1992~1996年美国的纳滤装置以500%的速度增长,在美国已有超过100m3/d规模的纳滤软化水装置在运转。

  纳滤膜在低压下具有较高通量,对单价、多价离子选择性分离程度较高,运行过程中的实际能耗和成本比反渗透膜更低.对于水源条件复杂且用水要求有较高的经济较发达的地区,纳滤膜技术作为饮用水深度处理工艺可能是更为合适的选择。

  纳滤城市污水深度处理

  随着城市水资源的日益匮乏和日益严格的污水排放标准,传统的处理工艺已不能满足城市污水的深度处理和回用的需求,经过膜处理得到的再生水可用于农业灌溉、城市杂用、工业应用以及传统的地表地下水源的补给,成为了城市供水的第二水源。

  以北京为例,由于污水排放标准的不断提升,传统工艺已无法满足达标排放甚至污水回用的需求,Li等人(2015)认为经过纳滤深度处理后的污水可以满足绝大多数污水回用水水质的需求。对于纳滤技术较为适宜的再生水项目是将再生水用于含水层、河流以及水库的水源补给。在美国佐治亚州的Gwinnette county,纳滤膜用于替代现有的高pH石灰-臭氧/GAC工艺,日处理量为2640 m3,可有效去除二级出水的TOC和氮素,出水水质可满足当地的用水需求。

  前景趋势

  据估计,到2019年纳滤膜的全球市场份额将达到4.451亿美元,同时在2015-2019年间将保持高达15.6%的年复合增长率。

  小结

  纳滤(nanofiltrationNF)作为一种分离效果介于超滤和反渗透之间的膜过滤技术,在过滤过程中同时兼具物理孔隙产生的筛分效应和膜面电荷产生的道南效应作用。纳滤对水中的大多数有机物和多价盐离子具有很高的截留率,而对单价离子截留率较低,因而对单价多价盐具有良好的选择分离特性,近几年以及未来将在饮用水处理、污水深度处理与回用、工业过程浓缩与分离等方面得到广泛应用。

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