1.1納濾膜的定義、特點
NF膜早期被稱為松散反滲透(LooseRO)膜,是80年代初繼典型的RO復合膜之后開發(fā)出來的。可這樣來論述“納濾”的概念:適宜于分離分子量在200g/mol以上,分子大小約為1nm的溶解組分的膜工藝。
納濾膜的一個特點是具有離子選擇性:具有一價陰離子的鹽可以大量滲過膜(但并不是無阻擋的),然而膜對具有多價陰離子的鹽(例如硫酸鹽和碳酸鹽)的截留率則高得多。因此,鹽的滲透性主要由陰離子的價態(tài)決定。
1.2納濾膜的分離原理
納濾過程之所以具有離子選擇性,是由于在膜上或者膜中有負的帶電基團,它們通過靜電互相作用,阻礙多價離子的滲透。根據(jù)說明,可能的荷電密度為0.5~2meq/g.
為此,我們可用道南效應加以解釋:
ηj=μj+zj.F.φ
式中ηj——電化學勢;
μj——化學勢;
zj——被考查組分的電荷數(shù);
F——每摩爾簡單荷電組分的電荷量(稱為法拉第常數(shù));
φ——相的內電位,并且具有電壓的量綱。
式中的電化學勢不同于熟知的化學勢,是由于附加了zj.F.φ項,該項包括了電場對滲透離子的。利用此式,可以推導出體系中的離子分布,以出納濾膜的分離性能。[3]
1.2.1對有機物的分離
納濾對于有機溶質的分離屬于篩網效應,其脫除率主要與相對分子質量大小和分子形狀有關。由于有機物分子不能被膜的表面排斥,而且有機物傾向于降低溶液與膜之間的表面張力,因此一些相對分子質量小于100的有機物分子很容易聚集在膜表面,容易通過膜的孔隙;相對分子質量在100~200之間的有機物分子能被脫除一部分;相對分子質量在200以上的有機物分子,基本上能被*分離。
1.2.2對無機物的分離
NF膜大多為荷電膜,其對無機鹽的分離行為不僅由化學勢梯度控制,同時也受到電勢梯度的影響,即膜的行為與其荷電性能以及溶質荷電狀態(tài)和相互作用都有關系。根據(jù)Donnan平衡模型,將荷電基團的膜置于鹽溶液時,溶液中的反離子即與膜所帶電荷相反的離子,在膜內的濃度大于其在主體溶液中的濃度;而同名離子即與膜所帶電荷相同的離子,在膜內的濃度低于其在主體溶液中的濃度,由此形成了Donnan位差,阻止了同名離子從主體溶液向膜內的擴散,為了保持電中性,反離子同時被膜截留。該模型是把截留率看作膜的電荷容量、進料液中溶質的濃度以及離子的荷電數(shù)的函數(shù)來進行預測的,但沒考慮擴散和對流的影響,而這些作用在真實的荷電膜中的影響不容忽視。[4]
2.納濾膜技術在微污染水處理中的應用
水源中對人體極為有害甚至具有“三致”作用的有機污染物具有以下特性:(1)分子量在800以下,主要在200左右;(2)非極性或中等極性;(3)多核芳烴。納濾膜技術的特點決定了其在飲用水制備方面具有*的作用,主要體現(xiàn)在對各種有害有毒有機物及無極鹽類的去除,可有效截留雜質、細菌和病原菌,去除水中各類微量有機污染物,特別是高毒及具有“三致”作用的污染物。依據(jù)電荷效應,納濾膜可以降低水質硬度,去除飲用水中對人體有害的硝酸鹽、砷、氟化物和重金屬等無機污染物;依據(jù)篩分效應,納濾膜可以有效地去除農藥殘留物、三氯甲烷及其中間體、環(huán)境荷爾蒙物質、激素以及天然有機物等有機污染物[5]。納濾技術用于處理受微污染的飲用水,具有分離效率高、易控制、工藝流程簡捷,使用靈活,對無機物去除率低,膜的結垢和污染程度輕,膜通量高,產水不需礦化等特點,使用NF膜從含鹽量不高的水源獲得飲用水,出水水質穩(wěn)定、安全性高、生物穩(wěn)定性好,同時可以降低消毒加氯量。林耀軍等[6]用活性炭-納濾組合工藝技術對珠江三角洲地區(qū)自來水進行了飲水深度處理試驗研究,結果表明,該工藝可有效去除有機物、消毒副產物、氨氮及亞硝酸鹽等有毒有害物質,對有機微污染物去除率高達80%以上,可使凈化水達到較高飲水標準。
使用納濾膜處理微污染水,不但能有效去除水中的無機和有機污染物等有害物質,能滿足對飲用水中高毒及“三致”作用的有機物去除的要求,而且對水中的Ca2+、NaCl等礦物質截留率低,從而保留水中一部分人體所需的礦物質,是處理微污染水和制備飲用水的有效方法,在飲用水深度處理中有廣闊的應用前景。
3.應用前景
使用納濾膜分離技術進行水處理存在膜污染、膜穩(wěn)定性和膜組件的造價成本高等問題,這些問題在一定程度上限制了納濾膜技術的大規(guī)模應用。其中,NOM被認為是造成膜污染的主要因素,NOM對納濾膜的滲透性能的影響遠遠大于粘土或其他無機膠體的影響,即使在濃度較低時也是如此。因此,了解由NOM所造成的膜污染的原因并找到對策是膜污染控制的主要挑戰(zhàn)。而膜組件的成本除了市場的因素外,主要由膜材料和膜組件的制備工藝所決定,因此,要降低膜組件的成本,一方面要開發(fā)易得價廉的材料和加強制膜工藝的研究,另一方面,對膜組件的各方面應用的大力研究使得其膜組件市場需求的提提高,也有助于成本的降低。隨著膜技術的發(fā)展,膜組件成本高及膜污染、清洗問題的解決,將使膜技術在廢水處理中有越來越廣泛的應用,在解決水資源危機中發(fā)揮重要的作用。目前,我國地表水普遍污染嚴重,不僅隨著工業(yè)污染使得大量的有機污染物進入水源水,而且由于農業(yè)中大量地使用化肥和農藥,致使水源水農藥的含量較高,這使得使用常規(guī)的工藝處理難以達到安全飲水標準,如能采用納濾膜處理工藝,不僅能大幅度地提高出水水質,保障居民的飲水健康,而且能極大地節(jié)省占地面積和相應的征地費,減少基建投資。因此納濾膜分離技術可望成為21世紀安全飲用水保障的重要途徑,具有廣闊的應用前景。
4.結束語
隨著城市的日益擴大和工農業(yè)的迅猛發(fā)展,大量的生活污水和工農業(yè)廢水被排放到江河湖泊中,通過工農業(yè)使用和生活等人類活動而進入水體,使城市周圍地表水體的污染不斷呈加重趨勢,尤其是數(shù)以萬種的人工合成有機物、農藥、重金屬離子、氨氮及放射性物質等有害污染物,這些物質大多難以生物降解,在環(huán)境中有一定的殘留水平,具有生物富集性、“致畸、致癌、致突變”三致作用和毒性,若直接進入食物鏈,對公眾健康將產生嚴重危害。
如今,水源水受到污染已是不爭的事實,并成為了世界范圍內普遍面臨的問題,常規(guī)制水工藝如混凝、沉淀、過濾工藝只能去除水中約20~30%的有機物[1],難達到飲用水水質衛(wèi)生規(guī)范的標準,尋求和研究有效的微污染飲用水深度處理技術成為了必然的選擇。
納濾膜在壓力作用下,由于水通量與壓力成正比,而水透過率比反滲透大些,其中的無機小分子透過率幾乎與壓力無關,因此只要適當控制壓力便可既去除水中有毒、有害物質,又可適量保留小分子的微量元素,能夠實現(xiàn)“zui大程度地去除原水中的有毒有害物質,同時又保留原水中對人體有益的微量元素和礦物質的飲用水”已經達到很好的水質目標
NF膜早期被稱為松散反滲透(LooseRO)膜,是80年代初繼典型的RO復合膜之后開發(fā)出來的。可這樣來論述“納濾”的概念:適宜于分離分子量在200g/mol以上,分子大小約為1nm的溶解組分的膜工藝。
納濾膜的一個特點是具有離子選擇性:具有一價陰離子的鹽可以大量滲過膜(但并不是無阻擋的),然而膜對具有多價陰離子的鹽(例如硫酸鹽和碳酸鹽)的截留率則高得多。因此,鹽的滲透性主要由陰離子的價態(tài)決定。
1.2納濾膜的分離原理
納濾過程之所以具有離子選擇性,是由于在膜上或者膜中有負的帶電基團,它們通過靜電互相作用,阻礙多價離子的滲透。根據(jù)說明,可能的荷電密度為0.5~2meq/g.
為此,我們可用道南效應加以解釋:
ηj=μj+zj.F.φ
式中ηj——電化學勢;
μj——化學勢;
zj——被考查組分的電荷數(shù);
F——每摩爾簡單荷電組分的電荷量(稱為法拉第常數(shù));
φ——相的內電位,并且具有電壓的量綱。
式中的電化學勢不同于熟知的化學勢,是由于附加了zj.F.φ項,該項包括了電場對滲透離子的。利用此式,可以推導出體系中的離子分布,以出納濾膜的分離性能。[3]
1.2.1對有機物的分離
納濾對于有機溶質的分離屬于篩網效應,其脫除率主要與相對分子質量大小和分子形狀有關。由于有機物分子不能被膜的表面排斥,而且有機物傾向于降低溶液與膜之間的表面張力,因此一些相對分子質量小于100的有機物分子很容易聚集在膜表面,容易通過膜的孔隙;相對分子質量在100~200之間的有機物分子能被脫除一部分;相對分子質量在200以上的有機物分子,基本上能被*分離。
1.2.2對無機物的分離
NF膜大多為荷電膜,其對無機鹽的分離行為不僅由化學勢梯度控制,同時也受到電勢梯度的影響,即膜的行為與其荷電性能以及溶質荷電狀態(tài)和相互作用都有關系。根據(jù)Donnan平衡模型,將荷電基團的膜置于鹽溶液時,溶液中的反離子即與膜所帶電荷相反的離子,在膜內的濃度大于其在主體溶液中的濃度;而同名離子即與膜所帶電荷相同的離子,在膜內的濃度低于其在主體溶液中的濃度,由此形成了Donnan位差,阻止了同名離子從主體溶液向膜內的擴散,為了保持電中性,反離子同時被膜截留。該模型是把截留率看作膜的電荷容量、進料液中溶質的濃度以及離子的荷電數(shù)的函數(shù)來進行預測的,但沒考慮擴散和對流的影響,而這些作用在真實的荷電膜中的影響不容忽視。[4]
2.納濾膜技術在微污染水處理中的應用
水源中對人體極為有害甚至具有“三致”作用的有機污染物具有以下特性:(1)分子量在800以下,主要在200左右;(2)非極性或中等極性;(3)多核芳烴。納濾膜技術的特點決定了其在飲用水制備方面具有*的作用,主要體現(xiàn)在對各種有害有毒有機物及無極鹽類的去除,可有效截留雜質、細菌和病原菌,去除水中各類微量有機污染物,特別是高毒及具有“三致”作用的污染物。依據(jù)電荷效應,納濾膜可以降低水質硬度,去除飲用水中對人體有害的硝酸鹽、砷、氟化物和重金屬等無機污染物;依據(jù)篩分效應,納濾膜可以有效地去除農藥殘留物、三氯甲烷及其中間體、環(huán)境荷爾蒙物質、激素以及天然有機物等有機污染物[5]。納濾技術用于處理受微污染的飲用水,具有分離效率高、易控制、工藝流程簡捷,使用靈活,對無機物去除率低,膜的結垢和污染程度輕,膜通量高,產水不需礦化等特點,使用NF膜從含鹽量不高的水源獲得飲用水,出水水質穩(wěn)定、安全性高、生物穩(wěn)定性好,同時可以降低消毒加氯量。林耀軍等[6]用活性炭-納濾組合工藝技術對珠江三角洲地區(qū)自來水進行了飲水深度處理試驗研究,結果表明,該工藝可有效去除有機物、消毒副產物、氨氮及亞硝酸鹽等有毒有害物質,對有機微污染物去除率高達80%以上,可使凈化水達到較高飲水標準。
使用納濾膜處理微污染水,不但能有效去除水中的無機和有機污染物等有害物質,能滿足對飲用水中高毒及“三致”作用的有機物去除的要求,而且對水中的Ca2+、NaCl等礦物質截留率低,從而保留水中一部分人體所需的礦物質,是處理微污染水和制備飲用水的有效方法,在飲用水深度處理中有廣闊的應用前景。
3.應用前景
使用納濾膜分離技術進行水處理存在膜污染、膜穩(wěn)定性和膜組件的造價成本高等問題,這些問題在一定程度上限制了納濾膜技術的大規(guī)模應用。其中,NOM被認為是造成膜污染的主要因素,NOM對納濾膜的滲透性能的影響遠遠大于粘土或其他無機膠體的影響,即使在濃度較低時也是如此。因此,了解由NOM所造成的膜污染的原因并找到對策是膜污染控制的主要挑戰(zhàn)。而膜組件的成本除了市場的因素外,主要由膜材料和膜組件的制備工藝所決定,因此,要降低膜組件的成本,一方面要開發(fā)易得價廉的材料和加強制膜工藝的研究,另一方面,對膜組件的各方面應用的大力研究使得其膜組件市場需求的提提高,也有助于成本的降低。隨著膜技術的發(fā)展,膜組件成本高及膜污染、清洗問題的解決,將使膜技術在廢水處理中有越來越廣泛的應用,在解決水資源危機中發(fā)揮重要的作用。目前,我國地表水普遍污染嚴重,不僅隨著工業(yè)污染使得大量的有機污染物進入水源水,而且由于農業(yè)中大量地使用化肥和農藥,致使水源水農藥的含量較高,這使得使用常規(guī)的工藝處理難以達到安全飲水標準,如能采用納濾膜處理工藝,不僅能大幅度地提高出水水質,保障居民的飲水健康,而且能極大地節(jié)省占地面積和相應的征地費,減少基建投資。因此納濾膜分離技術可望成為21世紀安全飲用水保障的重要途徑,具有廣闊的應用前景。
4.結束語
隨著城市的日益擴大和工農業(yè)的迅猛發(fā)展,大量的生活污水和工農業(yè)廢水被排放到江河湖泊中,通過工農業(yè)使用和生活等人類活動而進入水體,使城市周圍地表水體的污染不斷呈加重趨勢,尤其是數(shù)以萬種的人工合成有機物、農藥、重金屬離子、氨氮及放射性物質等有害污染物,這些物質大多難以生物降解,在環(huán)境中有一定的殘留水平,具有生物富集性、“致畸、致癌、致突變”三致作用和毒性,若直接進入食物鏈,對公眾健康將產生嚴重危害。
如今,水源水受到污染已是不爭的事實,并成為了世界范圍內普遍面臨的問題,常規(guī)制水工藝如混凝、沉淀、過濾工藝只能去除水中約20~30%的有機物[1],難達到飲用水水質衛(wèi)生規(guī)范的標準,尋求和研究有效的微污染飲用水深度處理技術成為了必然的選擇。
納濾膜在壓力作用下,由于水通量與壓力成正比,而水透過率比反滲透大些,其中的無機小分子透過率幾乎與壓力無關,因此只要適當控制壓力便可既去除水中有毒、有害物質,又可適量保留小分子的微量元素,能夠實現(xiàn)“zui大程度地去除原水中的有毒有害物質,同時又保留原水中對人體有益的微量元素和礦物質的飲用水”已經達到很好的水質目標
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