纳滤膜分离技术处理饮用水的应用研究

黄豆豆

　摘要：简要介绍了纳滤膜的定义及原理，并利用自行设计的小型设备对纳滤NF1、纳滤NF7两种型号膜组件的性能进行了分析比较。
　　关键词：饮用水　水处理　纳滤　膜分离技术

　　前言

　　膜分离技术是物质分离技术中的一个单元操作。膜法分离的最大特点是驱动力主要为压力，不伴随需要大量热能的变化。因而有节能、可连续操作、便于自动化等优点。膜分离中的微滤（MF）、超滤（UF）不能脱除各种低分子物质，故单独使用时，出水质量仍较差。反渗透膜（RO）有较强的去除率，但在去除有害物质的同时也去除了水中大量有益的无机离子，出水呈酸性，不符合人体需要。而纳滤膜（NF）分离技术在有效去除水中有害物质的同时，还能保留大多数人体必须的无机离子，且出水pH值变化不大。这种水处理方法对于我国目前的饮食结构而言，尤其是营养结构单一的人员来说，更易被接受，也更加合理。

　　为进一步开发和研究纳滤膜，以便其更有效地应用于水处理，我们安装了两种型号的纳滤膜设备并进行了比较研究，这两种型号的纳滤膜均由美国Trisep公司生产，材质为PA，型号分别为NF1（NFTS40）和NF7（NFTS80）。

　　1、纳滤膜的定义及分离原理

　　1.1　纳滤膜的定义、特点

　　NF膜早期被称为松散反渗透（Loose RO）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。

　　1.2　纳滤膜的分离原理

　　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。根据文献［1］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影响。利用此式，可以推导出体系中的离子分布，以计算出纳滤膜的分离性能。

　　2、纳滤膜处理饮用水的应用研究

　　2.1　纳滤膜处理饮用水的流程

　　为增强两种型号膜组件的可比性，我们采用同一流程，即：

　　原水→10μm保安过滤器→活性炭过滤→5μm保安过滤器→NF7→出水。

　　原水→10μm保安过滤器→活性炭过滤→5μm保安过滤器→NF1→出水。

　　其中，10μm保安过滤器用来除去原水中的悬浮物；活性炭吸附可去除水中的部分有机物；5μm保安过滤器用以保证膜组件的安全正常使用。




　　2.2　试验结果的分析讨论

　　2.2.1　TOC结果比较

　　为了研究NF1、NF7两种膜对有机物的去除情况，在相同条件下取原水、活性炭出水及产水率为15%时的NF1、NF7出水水样测定TOC，结果见图1.




　　图1　TOC去除率比较

　　由图1可知，在TOC的去除效果上，活性炭对TOC有一定的去除效果，但仍有一部分未能去除；纳滤NF1对TOC的处理效果较好达到93.9%；而纳滤NF7对TOC的处理效果不够理想。

　　2.2.2　色谱-质谱联机分析结果和讨论

　　取原水，活性炭出水，NF1，NF7出水水样各20L，经吸附、洗脱、浓缩，用色谱-质谱联机分析。GC/MS结果见表1.

　原水中检出有机物26种，这些物质中有毒有害物质11种，占水中有机物总数量的42.3%，其中优先控制污染物2种。原水经过活性炭吸附后，有机物去除了17种，新增11种，对其中的9种无去除能力，说明活性炭对有机物的去除效果不够理想；经过膜处理后，NF7出水检出有机物11种，对致突变物的去除率为75%；NF1出水检出3种有机物，致突变物的去除率为87.5%.说明在三致物质的去除效果上NF1优于NF7.

　　造成以上结果的原因大体可这样描述：在处理有机物中性组分时，电的相互影响消失了。对于这样的物料，将根据其分子的大小进行分离，分子量超过200g/mol的组分被完全截留，而摩尔质量较低的小分子则可以渗透。对于有机物料体系来说，以少量测量数据为基础的扩散-溶解模型可以很好地描述纳滤膜对有机物的分离特性。

　　2.2.3　Ames试验结果讨论

　　取原水、活性炭出水、NF7、NF1出水各100L进行吸附、洗脱、浓缩后进行Ames试验．

　　2.2.4　脱盐率比较

　　取NF1、NF7进出水水样对其电导率进行测定．

　　3、结论及建议

　　（1）NF1对TOC的处理效果较NF7及活性炭吸附的效果更为理想，达到93.9%.NF1对水中有机物及三致性的去除效率高，出水Ames试验结果为阴性。（2）NF1在去除水中有害物质的同时，能够保留较多的无机离子，更加符合我国目前的饮食结构，满足现有条件下人员的健康需要。（3）在应用纳滤膜分离技术处理饮用水时，建议使用NF1膜组件。（4）纳滤膜的分离机理及相应的模型需进一步探讨。

　　

　　参考文献：

　　［1］Jjitsuhara I,Kimura S.Structure and Properties of Charged Ultrafiltration Membranes of Sulfonated Polysulfone.J Chem Eng.Japan,1983,16（5）

　　［2］Ikeda K,et al.New Composite charged Reverse Osmosis Membrane.Desalination,1988,68：109～119

　　［3］R Rautenbach著。膜工艺——组件和装置设计基础。王乐夫译。北京：化学出版社，1998

　　［4］徐平。 美国海德能公司分离膜技术应用论文集。 1998