1 膜技術(shù)的發(fā)展
1748年法國學(xué)者Abbe Nollet首次提出了膜分離現(xiàn)象，經(jīng)過近二個(gè)世紀(jì)的摸索、研究，20世紀(jì)50年代膜分離技術(shù)才逐漸發(fā)展成為一門新興高技術(shù)邊緣學(xué)科，1963年第一個(gè)膜滲析器的誕生開創(chuàng)了膜分離技術(shù)的新紀(jì)元，二、三十年來得到了迅猛的發(fā)展，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域及科研中得到大規(guī)模應(yīng)用，出現(xiàn)了各種有價(jià)值的微濾、超濾、納濾和反滲透等分離膜，受到了各個(gè)領(lǐng)域的普遍重視。而各種膜分離過程，首先是在水處理方面得到應(yīng)用，而后推廣到冶金、石油、化工、儀器、醫(yī)藥、仿生等諸多領(lǐng)域。
目前，微濾、超濾、納濾、反滲透、滲析、電滲析等技術(shù)己經(jīng)廣泛在給水處理、純水制備、海水淡化、苦咸水淡化等水處理領(lǐng)域中得到推廣和應(yīng)用，并在水處理的各個(gè)方面，給傳統(tǒng)的水處理工藝以巨大的沖擊和挑戰(zhàn)。膜分離技術(shù)有著傳統(tǒng)的給水處理工藝不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：
首先，膜分離技術(shù)可適用于從無機(jī)物到有機(jī)物，從病毒、細(xì)菌到微粒甚至特殊溶液體系的廣泛分離，可充分確保水質(zhì)，且處理效果不受原水水質(zhì)、運(yùn)行條件等因素的影響。
第二，膜分離過程為物理過程，不需加入化學(xué)藥劑，提高了人們對(duì)水處理過程的信賴程度，易于為群眾接受，屬為人們稱道的“綠色”技術(shù)。
第三，膜分離技術(shù)分離裝置簡(jiǎn)單，占地面積小，系統(tǒng)集成容易，便于運(yùn)輸、拆卸、安裝，運(yùn)行環(huán)境清潔、整齊，可稱之為真正意義上的“造水工廠”。
第四，膜分離過程系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作容易，且易控制，便于維修，有利于生產(chǎn)自動(dòng)化的推廣與普及。作為一種新興的水處理技術(shù)，膜分離以其無可非議的先進(jìn)性得到了世界各國學(xué)者們的廣泛關(guān)注。
2 納濾技術(shù)概述
膜分離技術(shù)被稱為“二十一世紀(jì)的水處理技術(shù)”，自70年代應(yīng)用于水處理領(lǐng)域后，得到了廣泛的研究和空前的發(fā)展，受到世界各國水處理工作者的普遍關(guān)注，開展了不同水平。不同層次的理論研究和技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用。在給水處理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是一系列的低壓膜，如納濾膜、反滲透膜等。其中，納濾膜法水處理技術(shù)以其特殊的優(yōu)勢(shì)，獲得了世界各國的水處理工作者的普遍關(guān)注，在水處理技術(shù)的研究和開發(fā)領(lǐng)域取得了可喜的成績(jī)。
納濾技術(shù)是從反滲透技術(shù)中分離出來的一種膜分離技術(shù)，是超低壓反滲透技術(shù)的延續(xù)和發(fā)展分支。一般認(rèn)為，納濾膜存在著納米級(jí)的細(xì)孔，且截留率大于95%的最小分子約為1mm，所以近幾年來這種膜分離技術(shù)被命名為：Nanofiltration，簡(jiǎn)稱：NF，中文譯為：納濾。在過去的很長一段時(shí)間里，納濾膜被稱為超低壓反滲透膜（LPRO：Low Pressure Reverse Osmosis），或稱選擇性反滲透膜或松散反滲透膜（Loose RO：Loose Reverse Osmosis）。日本學(xué)者大谷敏郎曾對(duì)納濾膜的分離性能進(jìn)行了具體的定義：操作壓力≤1.50mPa，截留分子量200～1000，NaCl的截留率≤90%的膜可以認(rèn)為是納濾膜[1]。現(xiàn)在，納濾技術(shù)已經(jīng)從反滲透技術(shù)中分離出來，成為介于超濾和反滲透技術(shù)之間的獨(dú)立的分離技術(shù)，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于海水淡化、超純水制造、食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域，成為膜分離技術(shù)中的一個(gè)重要的分支。
3 納濾膜
納濾過程的關(guān)鍵是納濾膜。對(duì)膜材料的要求是：具有良好的成膜性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度高、耐酸堿及微生物侵蝕、耐氯和其它氧化性物質(zhì)、有高水通量及高鹽截留率、抗膠體及懸浮物污染，價(jià)格便宜、目前采用的納德膜多為芳香族及聚酸氫類復(fù)合納德膜。復(fù)合膜為非對(duì)稱膜，由兩部分結(jié)構(gòu)組成：一部分為起支撐作用的多孔膜，其機(jī)理為篩分作用；另一部分為起分離作用的一層較薄的致密膜，其分離機(jī)理可用溶解擴(kuò)散理論進(jìn)行解釋。對(duì)于復(fù)合膜，可以對(duì)起分離作用的表皮層和支撐層分別進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可獲得性能優(yōu)良的復(fù)合膜。膜組件的形式有中空纖維、卷式、板框式和管式等。其中，中空纖維和卷式膜組件的填充密度高，造價(jià)低，組件內(nèi)流體力學(xué)條件好；但是這兩種膜組件的制造技術(shù)要求高，密封困難，使用中抗污染能力差，對(duì)料液預(yù)處理要求高。而板框式和管式膜組件雖然清洗方便、耐污染，但膜的填充密度低、造價(jià)高。因此，在納濾系統(tǒng)中多使用中空纖維式或卷式膜組件。
在我國，對(duì)納濾過程的理論研究比較早，但對(duì)納濾膜的開發(fā)尚處于初步階段。在美國、日本等國家，納濾膜的開發(fā)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，達(dá)到了商品化的程度，如美國Filmtec公司的NF系列納濾膜、日本日東電工的NTR-7400系列納濾膜及東麗公司的UTC系列納濾膜等都是在水處理領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛的商品化復(fù)合納濾膜。
對(duì)于一般的反滲透膜，脫鹽率是膜分離性能的重要指標(biāo)，但對(duì)于納濾膜，僅用脫鹽率還不能說明其分離性能。有時(shí)，納濾膜對(duì)分子量較大的物質(zhì)的截留率反而低于分子量較小的物質(zhì)。納濾膜的過濾機(jī)理十分復(fù)雜。由于納德膜技術(shù)為新興技術(shù)，因此對(duì)納濾的機(jī)理研究還處于探索階段，有關(guān)文獻(xiàn)還很少。但鑒于納濾是反滲透的一個(gè)分支，因此很多現(xiàn)象可以用反滲透的機(jī)理模型進(jìn)行解釋。關(guān)于反滲透的膜透過理論[2]有朗斯代爾、默頓等的溶解擴(kuò)散理論；里德、布雷頓等的氫鍵理論；舍伍德的擴(kuò)散細(xì)孔流動(dòng)理論；洛布和索里拉金提出的選擇吸附細(xì)孔流動(dòng)理論和格盧考夫的細(xì)孔理論等。
納濾膜的過濾性能還與膜的荷電性、膜制造的工藝過程等有關(guān)。不同的納濾膜對(duì)溶質(zhì)有不同的選擇透過性，如一般的納濾膜對(duì)二價(jià)離子的截留率要比一價(jià)離子高，在多組分混合體系中，對(duì)一價(jià)離子的截留率還可能有所降低。納濾膜的實(shí)際分離性能還與納濾過程的操作壓力、溶液濃度、溫度等條件有關(guān)。如透過通量隨操作壓力的升高而增大，截留率隨溶液濃度的增大而降低等。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。
4 納濾技術(shù)的工程應(yīng)用
納濾膜的孔徑范圍介于反滲透膜和超濾膜之間，其對(duì)二價(jià)和多價(jià)離了及分子量在200～1000之間的有機(jī)物有較高的脫除性能，而對(duì)單價(jià)離子和小分子的脫除率則較低。而且，與反滲透過程相比，納濾過程的操作壓力更低（一般在1.0Mpa左右）；同時(shí)由于納濾膜對(duì)單價(jià)離子和小分子的脫除率低，過程滲透壓較小，所以，在相同條件下，納濾與反滲透相比可節(jié)能15%左右[3]。因而在水處理中，納濾被廣泛應(yīng)用于飲用水的濃度凈化、水軟化、有機(jī)物和生物活性物質(zhì)的除鹽和濃縮、水中三鹵代物前軀物的去除、不同分子量有機(jī)物的分級(jí)和濃縮、廢水脫色等領(lǐng)域。
Sibille等研究了法國Auverw－sur－Oise市的地下水，對(duì)納濾和生物處理飲用水（臭氧—生物活性炭過濾）進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，納濾可以顯著提高飲用水的水質(zhì)，減少細(xì)菌數(shù)量和有機(jī)物的濃度，從而使后續(xù)消毒更有效，也減少了三氯甲烷的形成。但是，研究又指出，少量極易被細(xì)菌等吸收的可生物降解的有機(jī)物質(zhì)（BOM：Biological Organic Matter）、可同化有機(jī)碳（AOC：Assimilable Organic Carbon）也能透過納濾膜。
I.C.Escobar等的研究[4]中，將石灰軟化設(shè)備與納濾進(jìn)行比較。結(jié)果表明，納濾系統(tǒng)可有效去除原水中除了AOC以外的幾乎全部溶解性有機(jī)碳（DOC：Dissolved Organic Carbon）含量。
雖然，納濾技術(shù)的工程應(yīng)用在美國、日本等國家的給水行業(yè)中已經(jīng)得到大規(guī)模的推廣，但在我國，將納濾技術(shù)廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐的條件還不成熟，尚處于嘗試階段、本要問題是國產(chǎn)納濾膜的性能指標(biāo)不夠過關(guān)。但目前已有工程實(shí)例的報(bào)道，如國內(nèi)首套工業(yè)化大規(guī)模膜軟化系統(tǒng)——山東長島南隍城納濾示范工程，是納濾技術(shù)在高硬度海島苦咸水凈化的實(shí)際應(yīng)用。該工程由國家海洋局杭州水處理中心設(shè)計(jì)，于1997年4月正式投入生產(chǎn)淡水，系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行27個(gè)月，淡化水符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[5]。
有關(guān)學(xué)者曾采用納濾膜對(duì)某市自來水（以污染嚴(yán)重的淮河水為原水）進(jìn)行深度處理試驗(yàn)，研究了納濾循環(huán)制水試驗(yàn)工藝的效果。結(jié)果表明，循環(huán)試驗(yàn)工藝與單級(jí)納濾工藝相比，在同樣較低的壓力下，出水率較高，并且能耗降低，減少了濃水排放。即使在回收率較高（80%）的情況下，膜出水中的總有機(jī)碳（TOC）仍比自來水低50%；對(duì)致會(huì)變物的去除十分顯著，使Ames試驗(yàn)陽性的水轉(zhuǎn)為陰性[6]。
5 納濾膜應(yīng)用中的問題
納濾膜有較高的膜通量，可以截留有機(jī)及無機(jī)污染物，而對(duì)人體必需的一些離子又有較大的透過率，因此，把納濾膜應(yīng)用于飲用水的深度凈化較其它的膜分離技術(shù)有較大的優(yōu)勢(shì)。目前，把鋼濾膜應(yīng)用于給水處理領(lǐng)域的主要問題是：
a）膜表面容易形成附著層，使膜的通量顯著下降；
b）操作結(jié)束后，膜的清洗較困難；
c）膜的耐用性差。
這三個(gè)問題是目前膜分離的基本問題，也是納濾膜法水處理技術(shù)難以廣泛應(yīng)用的主要原因。目前世界各國的水處理工作者正在進(jìn)行廣泛的研究，尋求解決這些問題的途徑。納濾技術(shù)在給水處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用還依賴于這些問題的進(jìn)一步解決。
參考文獻(xiàn)
[1]張瑾，劉凌·納蟑膜及其應(yīng)用展望.[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，1998；24（6）；49－56
[2]（日）井山哲夫等.[C].水處理工程理論與應(yīng)用
[3]R G Sudak et al.Procurement of New Reverse Osmosis Membranes:The Water Factory 21 Experience.[C].Proceeding of the National Water Supply Imporvement Association Conference, San Diego, California,1988
[4]I.C.Escobar ET AL，Influence of NF on Distribution System Biostability.J.AWWA，1991；6：76－84
[5]張國亮，陳益棠·納濾膜軟化技術(shù)在海島飲用水制備中的應(yīng)用.[J].水處理技術(shù)，2000；26（2）：67－70
[6]李靈芝，李建渠，周蓉，王占生·納濾（NF）膜制取飲用水的研究.[J].水處理技術(shù)，1998；24（2）：88—91 來源：中國環(huán)保技術(shù)網(wǎng) 作者: 邱曉霞
