纳滤技术简介及水处理中的应用

纳滤技术简介及水处理中的应用

一、纳滤技术简介

纳滤（NF）是20世纪80年代后期发展起来的一种介于反渗透和超滤之间的新型膜分离技术。纳滤膜的截留相对分子质量为200～1000，膜孔径约为1nm，适宜分离大小约为1nm 的溶解组分，故称为"纳滤"。纳滤的操作压力通常为0.5～1.0 MPa，一般比反渗透低0.5～3 MPa，并且由于其对料液中无机盐的分离性能，因此纳滤又被称为"疏松反渗透"或"低压反渗透"。纳滤技术是为了适应工业软化水及降低成本的需要而发展起来的一种新型的压力驱动膜过滤。

纳滤膜分离在常温下进行，无相变，无化学反应，不破坏生物活性，能有效地截留二价及高价离子和相对分于质量高于200 的有机小分子，而使大部分一价无机盐透过，可分离同类氨基酸和蛋白质，实现高分子量和低分子量有机物的分离，且成本比传统工艺低，因而被广泛应用于超纯水的制备、食品、化工、医药、生化、环保、冶金等领域的各种浓缩和分离过程。

纳滤膜的一个显著特征是膜表面或膜中存在带电基团，因此纳滤膜分离具有两个特性，即筛分效应和电荷效应。分子量大于膜的截留分子量的物质，将被膜截留，反之则透过，这就是膜的筛分效应。膜的电荷效应又称为Donnan 效应，是指离子与膜所带电荷的静电相互作用。对不带电荷的分子的过滤主要是靠筛分效应。利用筛分效应可以将不同分子量的物质分离; 而对带有电荷的物质的过滤主要是靠荷电效应。

纳滤与超滤、反渗透一样，均是以压力差为驱动力的膜过程，但其传质机理有所不同。一般认为，超滤膜由于孔径较大，传质过程主要为筛分效应; 反渗透膜属于无孔膜，其传质过程为溶解—扩散过程（静电效应）;纳滤膜存在纳米级微孔，且大部分荷负电，对无机盐的分离行为不仅受化学势控制，同时也受电势梯度的影响。

对于纯电解质溶液，同性离子会被带电的膜活性层所排斥，而如果同性离子为多价，则截留率会更高。同时为了保持电荷平衡，反离子也会被截留，导致电迁移流动与对流方向相反。但是，带多价反离子的共离子较带单价反离子的共离

子的截留率要低，这可能是由多价反离子对膜电荷的吸附和屏蔽作用所致。对于两种同性离子混合物溶液，根据唐南理论，与它们各自的单纯盐溶液相比，多价共离子比单价共离子更容易被截留。两种共离子的混合液，由于它们迁移率的不同，使低迁移率的反离子的截留逐渐减少而高迁移的反离子的浓度增加，造成电流和电迁移的"抵消"。

纳滤膜对极性小分子有机物的选择性截留是基于溶质的尺寸和电荷。溶质的传递可以理解为以下两步∶

第一步，根据离子所带的电荷选择性地吸附在膜的表面;

第二步，在扩散、对流、电泳移动性的共同作用下传递通过膜。

纳滤膜的特点如下∶

①对不同价态的离子截留效果不同，对二价和高价离子的截留率明显高于单价离子。对阴离子的截留率按下列顺序递增∶NO3-;-

②对离子的截留受离子半径的影响。在分离同种离子时，离子价数相等时，离子半径越小，膜对该离子的截留率越小。离子价数越大，膜对该离子的截留率越高。

③截留相对分子质量为200～1000，适用于分子大小为1nm的溶解组分的分离。对疏水型胶体油、蛋白质和其他有机物具有较强的抗污染性，与反渗透膜相比，纳滤膜具有操作压力低、通量大的特点;与微滤膜相比，纳滤膜又具有截留低分子量物质能力强的特点。对许多中等分子量的溶质，如消毒副产物的前驱物、农药等微量有机物、致突变物等杂质能有效去除。纳滤能截留透过超滤膜的小分子量有机物、部分透过被反渗透膜所截留的无机盐离子。纳滤与电渗析、离子交奂和传统热蒸发技术相比，可以同时脱盐兼浓缩，在有机物与无机物混合物的浓缩与分离方面具有无可比拟的优点。

纳滤膜由于其膜孔径尺寸及表面化学特性，可以应用于多价盐离子与单价盐离子的分离、高分子量有机物与低分子量有机物的去除。纳滤对单价盐的脱除率较低。

二、纳滤技术在水处理中的应用

现代工业的发展在为社会创造巨大经济效益的同时，也产生了严重的环境问题，越来越多的海洋、湖泊及河流等由于大量工业废水的排入而被污染，给人类及动植物的生存造成严重威胁。纳滤膜由于其特殊的分离性能被成功地应用于制糖、造纸、电镀、机械加工等行业废水（液）的处理上。

1、印染废水

印染废水是加工棉、麻、化学纤维及其混纺产品为主的印染厂排出的废水。印染废水水量较大，每印染加工1t纺织品耗水100～200t，其中80%～90%成为一般印染废水pH为6～13，色度可达1000 倍，CODcr为400～4 000mg/L，BODs为100～1000mg/L。印染废水一般具有污染物浓度高、种类多、含多种有毒有害成分、色度高、盐度高等特点。

由于印染废水具有色度高、盐度高的特点，经过适当预处理降低其COD、SS 等污染物质浓度后，可以通过纳滤对其进行脱盐处理。

谢春生、黄瑞敏等在试验中采用曝气生物滤池+纳滤工艺结合的方法处理印染废水，试验取得了良好的效果，处理出水水质能满足设计的回用水水质要习研究结果表明，在水力负荷为1.02 m3/（m2·h）时，曝气生物滤池对COD的去除率为31.4%，混凝沉淀和机械过滤的纳滤预处理工艺的出水浊度平均为1.64NTU，出水SDI均值为4.1。曝气生物滤池与混凝沉淀+过滤作为纳滤的预处理，出水基本能够满足纳滤系统的进水水质要求。当进水TDS 为3750～4280 mg/L 时，纳滤系统的平均脱盐率为96.1%。膜污染后对其进行化学清洗，化学清洗后水回收恢复至系统运行初期的94%，脱盐率并未发生变化。可见，纳滤能够用做印染废水的净化再生处理。

2、电镀废水

镀加工和合金生产过程中，经常需要大量水冲洗，在这些清扫水中含有度相当高的重金属如镍、铁、铜和锌等。为了使这些含重金属离子的废水符合排放要求，一般的处理工艺是混凝、沉淀工艺，如果采用纳滤膜技术，不仅可以回收90%

以上的废水使之回用，而且同时使浓缩液中重金属含量提高10倍，浓缩后的重金属具有回收利用价值。在提高效益的同时降低了成本。

若控制适当条件，纳滤膜可实现溶液中不同金属的分离。如Cd 和Ni的分离，先将它们转化为CdCl2和NiCl，加入NaCl后使之分别形成荷电络合物和非荷电合物。NaCl浓度为0.5mol/L 时，在溶液中镉的主要存在形式是CdC12，但是镍臬离子方式存在，用带正电的纳滤膜截留镍离子，而让镉自由通过，即可实现金属离子间的分离。

刘久清、李新海等采用络合—超滤—纳滤耦合工艺对含铜电镀废水处理进行了实验研究。实验以聚丙烯酸钠（PAAN）为络合剂首先将电镀废水中Cu2+络合，通过超滤将与络合剂结合的铜离子及其他大分子有机污染物浓缩，产出净水回用。然后，通过向解络反应器内加入H2SO4，将络合剂与Cu2+的结合状态打破，络后浓缩液再次进入超滤系统，将络合物回收，而浓缩液最后进入纳滤处理装置将Cu2+进一步浓缩，产出净水，而浓缩液中Cu2+由于经过多次浓缩，浓度较高，可以回收利用。

3、离子交换树脂再生废水

离子交换树脂是指带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构、不溶性的高分子化合物，其外形通常是球形颗粒物。由于离子交换树脂对水中阴阳离子具有强的交换吸附能力，广泛应用于水的除盐、脱色等处理过程。当离子交换树脂达到吸附饱和后需要对其进行再生处理，再生过程中产生的废水COD 值一般并不高（200～500mg/L），但其BOD/COD<0.1，且产生量较大，是典型的难降解废水。对于该类废水中难降解有机物的去除，可以通过纳滤技术实现。

罗春、丁桓如等对纳滤法处理某电厂离子交换树脂再生废水进行了实验究。研究表明，电厂离子交换树脂再生废水中所含有机物的分子量绝大部分都小于1000，在纳滤的截留分子量范围之内，而在超滤的截留分子量范围之外。因此，采用纳滤处理该类废水从理论上讲是合理的。纳滤处理出水的TOC浓度稳定在14～18 mg/L，能达到相应的排放标准要求。

4、饮用水制备

内滤膜最大的应用领域是饮用水的软化和有机物的脱除。传统的饮用水净化处理主要采用混凝、沉淀、砂滤、消毒的工艺，这一工艺主要用于去除水中悬浮物和细菌，而对于水中溶解性的有机污染物及硬度的去除效率较低。随着水资源的匮乏和水污染的加剧，饮用水安全问题越来越受到人们的重视，传统净水工艺已不能满足日益提高的饮用水水质标准要求。

膜处理技术用于饮用水制备近年来逐渐得到广泛应用。微滤、超滤、反渗透用于饮用水生产存在着不同程度的缺陷，纳滤是最适用于饮用水生产的技术。微滤主要用于去除水体中悬浮物、微生物，而不能去除有机污染物、重金属等。超滤可以有效去除水中大分子有机物，但不能去除重金属等有毒有害的无机盐类及小分子有机污染物。反渗透能够有效去除水中有机污染物及无机盐类，但其将水中对人体有益的一价无机盐离子全都去除，出水并不适宜用作饮用水。相比之下，纳滤技术则更适宜用于饮用水生产。纳滤既能将水中小分子的有机污染物（分子量介于200～1000）、重金属离子、硬度离子等多价无机盐离子去除，又能较好地保留对人体有益的一价无机盐离子，处理出水能够满足饮用水的水质要求。

位于法国巴黎梅里奥塞（Mery-sur-Oise）地区的巴黎梅里奥塞水厂是全球最大的采用纳滤技术净化地表水的水厂，其日平均处理量达18万t，该厂能为所在地区80万居民提供优质的生活饮用水。该厂的水源取自奥塞河，该河河水中含有大量的有机物和有机农药，纳滤膜处理系统专门根据奥塞河的水质特点而设计，能高效去除水中的有机物及农药，而保留水中的矿物质元素。出水中除草剂浓度低于50ng/L的检测限，Ca2+年平均浓度为40mg/L，出水水质符合饮用水水质标准。

纳滤由于其对分子量介于200～1000的小分子有机物及多价盐离子的高效分离性能，在环境工程领域的应用越来越广泛。