面向软化水处理纳滤膜分离技术.doc

面向软化水处理的纳滤膜分离技术 张显球1,2 张林生1 吕锡武1 (1,东南大学环境工程系，南京，210096; 2,南京师范大学， 南京，210042) [内容摘要] 本文阐述了纳滤膜的软化机理、软化纳滤膜的性能及选用、影响纳滤膜软化性能的因素；介绍了纳滤膜在制取软化的饮用水、工业软化水以及海水淡化的预处理等方面的应用；通过与石灰软化和离子交换软化法的比较,分析了纳滤膜软化的经济性。 [关 键 词] 纳滤 软化 膜技术 石灰软化 离子交换 水的软化是水处理的一个重要方面。目前常规的软化方法主要以石灰软化法、离子交换法为主。随着膜技术的发展，纳滤（Nanofiltration）应用于水的软化显示出诸多优点：与反渗透相比，操作压力低，因而实际能耗低；在软化的同时，可以去除水中的色度和微量有机物，出水水质优；纳滤膜软化无需再生、无环境污染、操作简单、自动化程度高、占地面积省。目前，水的软化已成为纳滤膜最大的应用领域。 纳滤膜的软化机理 纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种压力驱动膜过程。由于它的发展后于反渗透，因此很多学者认为纳滤膜与反渗透膜类似，表皮分离层都是致密无孔的，离子通过溶解—扩散机理传递[1]。溶质和溶剂首先溶解于表皮层内（膜中溶解量的大小服从亨利定律），然后各自在浓度或压力造成的化学势推动下扩散通过膜，再从膜下游解吸。溶解度的差异以及溶质和溶剂在膜相中的扩散性差异强烈影响膜的分离性能。应用溶解—扩散机理可以较好解释纳滤对离子分离性能和运行过程中的压力、浓度等因素对膜截留性能的影响。 随着对纳滤的深入研究，目前更认同纳滤膜是具有荷电的纳米微孔结构，离子在带电微孔内进行扩散和对流传递过程时受到立体阻碍和静电排斥两方面的影响。基于这种观点，Wang[2] 在前人研究的成果基础上建立了静电位阻模型。根据静电位阻模型，若离子的大小、离子价数及其在膜孔中的扩散系数不同，则它透过纳滤膜的难易程度不同，从而可实现离子的选择性去除。相对单价离子（K+、Na+、Cl-）而言，二价离子（Ca2+、Mg2+、SO42-）的离子价数高以及扩散系数小（见表1），纳滤膜对这些离子基本不透过而对K+、Na+、Cl-等单价离子可大部分透过，达到软化而并非完全脱盐的目的。 表1 水中离子的扩散系数[3] 离子 Cl- K+ Na+ SO42- Ca2+ Mg2+ 扩散系数/10-9m2?s-1 2.03 1.96 1.33 1.06 0.92 0.71 2．软化纳滤膜及选用 目前商品化的纳滤膜品种很多，有对有机物去除效果好的，有软化效果好但除盐效果一般的，也有软化和除盐效果都很好的，可资选用的软化纳滤膜见表2。选用纳滤膜时要根据原水的水质和出水要求合理选用。当用于饮用水的制取时，若以地表水为水源，因地表水一般具有硬度低有机物较高的特点，可选用软化除盐效果一般而有机物去除效果好的纳滤膜；若以地下水为水源，则可选用软化效果好除盐效果一般的纳滤膜，以保留饮水中含有适量的有益的矿物质；当处理高硬度高盐分的海岛苦咸水时，可选用软化和除盐效果都很好的纳滤膜，以便一次处理就能达到饮水标准。当用于工业软化水的制取时，若要求水质高如中低压蒸汽锅炉用水，可选用软化和除盐效果都很好的纳滤膜；若要求水质较低如热水锅炉用水，可选用软化效果好除盐效果一般的纳滤膜。 表2 部分纳滤膜的软化与除盐性能[4-7] 类别 膜型号 厂商 软化除盐性能 软化除盐效果一般, 有机物去除效果好 NF200, NF200B NTR7450 TS-60 Filmtec Nitto Denko TriSep 对硬度的去除率在50%以下， 对有机物的去除率在90%以上。 软化效果好, 除盐效果也好 NF70, NF90, XP-20 UTC-20, UTC-60 TS-80 PVD1 TFCS Filmtec Toray TriSep Hydranautics Fluid System 质量浓度为1~2 g/L时， NaCl脱除率在70%以上，MgSO4的脱除率在97%以上。 软化效果好, 除盐效果一般 NF40, NF270, NF45 Dseal-5， Dseal-5-DK NTR-7250 ATC-30 TS-40 Filmtec Desal Nitto Denko PCI TriSep 质量浓度为1~2 g/L时， NaCl脱除率在50%以下，MgSO4的脱除率在95%以上。 3 影响纳滤膜软化性能的因素 3.1 操作压力 操作压力的增加，使膜两侧净驱动力增加，产水量增大；产水中的盐浓度相对降低，硬度去除率、除盐率会有所提高。但操作压力过高，能耗会增加，对膜的使用寿命不利。 3.2 产水率 产水率为产水量与进水量的比率。