软化水设备：纳滤膜性质特点及在水处理的应用解析

纳（nà）滤（NF）膜的研制与应用较反渗透膜（mó）大约（yuē）晚20年（nián）。20世（shì）纪70年代J·E·Cadotte研究NS-300膜，即为研（yán）究NF膜的开始。当时，以（yǐ）色列脱（tuō）盐公司用“混（hún）合过滤（lǜ）”（hybridfiltration）来表示介于（yú）反渗（shèn）透与超滤（lǜ）之间的膜（mó）分离过程，称为松散反（fǎn）渗透（looseRO）膜。后来美（měi）国（guó）的Filmtec公司把（bǎ）这种膜技（jì）术称（chēng）为纳滤，一直沿用至今。之后，纳滤技术发展得很快，膜组件于80年代中期（qī）商品化。目前，纳滤（lǜ）技术已成为世界膜分离领域研究的热（rè）点之一。
(1)纳滤（lǜ）膜定义
到目前为（wéi）止，对纳滤（lǜ）膜的准确定义、机制、特征（zhēng）等的认识还远远不充（chōng）分。学术界比较统一的解释纳滤膜的定义包括（kuò）以下七个方面（miàn）：
①纳滤膜介于反渗透（tòu）和超滤膜之间，其（qí）膜表面分（fèn）离皮层可能具（jù）有纳米级微孔结构。
②相对于（yú）反渗透膜NaCI的脱除率均在95%以上，一般将NaCI脱除率为90%以下的膜均（jun1）可称之为纳滤膜。
③反渗透膜几乎（hū）对所有（yǒu）溶质都有很高（gāo）的（de）脱除率（lǜ），而纳滤膜只对特（tè）定的溶质具有脱除率。
④纳滤膜孔径在1nm以上，一般1～2nm。
⑤主要去除一个纳米（mǐ）左右的溶质粒子，截留分子量（liàng）在200～1000道尔顿。
⑥反（fǎn）渗透膜几乎均为聚酰胺材质，而纳滤膜（mó）材料可采用多种材（cái）质，如醋酸（suān）纤维素、醋酸-三醋酸纤（xiān）维素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺复（fù）合材料和无机（jī）材（cái）料等。
⑦一（yī）般纳滤膜的表面形成高（gāo）聚物电解质因而（ér）常常有较（jiào）强的负电（diàn）荷性。
(2)纳滤原理
纳滤原理与超滤及反渗透等膜分离过程一样（yàng），纳滤也是以压力差为推动力的膜分离过程，是一个不可逆过（guò）程（chéng）。其分（fèn）离机制可以运用电荷模型（空（kōng）间电荷模型和固定电荷模型）、细孔模型以及近（jìn）年来才提出的静电排斥和立体阻碍模型等（děng）来描述。与其他膜分离过程比较，纳滤的（de）一个优点是能截留透过超（chāo）滤膜的小分子量的有机物（wù），又能透析反（fǎn）渗透膜所截留的部分无机盐——也就是能使“浓缩”与脱盐同步进行。
NF膜分离需要的跨膜压（yā）差一（yī）般为0.5～2.0MPa，比用（yòng）反（fǎn）渗（shèn）透（tòu）膜达（dá）到同样的（de）渗透能（néng）量所必须施加的压差低0.5～3MPa。在同等的外加压力下，纳滤的通（tōng）量要（yào）比反渗（shèn）透大得多，而在通量一（yī）定时，纳滤所需的压力则比反渗透（tòu）的低很多。所以用纳滤代替反（fǎn）渗透时，“浓缩”过程可更有（yǒu）效、快速地进行，并达到较大的“浓缩”倍数。一般来讲，在使用纳滤膜进（jìn）行的膜分离过程中，溶液中各种溶质的截留率有如下规律：
①随着摩尔质量的增加而增（zēng）加；
②在给定进料浓度的情况下，随着跨膜压差的增加而增加；
③在（zài）给定压力（lì）的情况下，随（suí）着浓度的增加而下降；
④对于阴离子来说，按NO3-、CI-、OH-、SO42-、CO42-顺（shùn）序上升。
⑤对于阳离子来说，按H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+顺序（xù）上升。
(3)纳滤膜应用
纳滤膜的这（zhè）些性能决定了其在（zài）饮水处理中特有的广阔的应用，简述如下。
①软化：膜软化（huà）水主（zhǔ）要是利（lì）用（yòng）纳滤（lǜ）膜对不同价态离子的选择透过特性而实现对水的软化。膜软化（huà）在去硬度的同时，还可以去除其中的浊度（dù）、色度和有机物，其（qí）出水水（shuǐ）质明显优于其他软化（huà）工艺。而且膜软化具有（yǒu）无须（xū）再生、无污（wū）染产生、操作简单、占地面积省等优点，具有明显的社会效益和经济效益。
膜软化（huà）在美国已很普遍，佛罗里达州近10多年来新的软化水厂都采用膜法软化，代替常规的石灰软化和离子交换过程。近几年来，随着纳滤（lǜ）性能的不断提高，纳滤膜组件的价格不断下（xià）降，膜软（ruǎn）化法在投资、操作、维护等方面已优于或接近于常规法。
②用于（yú）去除水中（zhōng）有机物：纳滤膜在（zài）饮水处理（lǐ）中除了软化（huà）之外，多用于脱色（sè）、去除天（tiān）然有机物（wù）与合成有机物（如农药等（děng））、三致物质、消毒副（fù）产物（三卤甲烷和卤乙（yǐ）酸）及其前体和挥发（fā）性有机物，保证饮用水的生物稳定性等。
三致物质的去除：研究（jiū）表明，纳滤膜能够去除水中大部（bù）分的有毒有害的有机物和Ames致突变物，使TA98及TA100菌株在各试验剂量下的致突比MR值均小于2，Ames试验结果呈阴性。进一步的研究将要考察（chá）纳滤技术对饮水中的内分泌干扰物质的截留特性，为安（ān）全优质饮水提供（gòng）依据。
消毒副产物及（jí）其前体（tǐ）物的去除：消毒副（fù）产物主要包括三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）和可能的三氯乙（yǐ）醛氢氧化（huà）物（CH）。国外（wài）的科技工作者在这方面（miàn）已开展了广泛的研究，纳（nà）滤膜对这三种消毒副产物的前体物的平均截留率（lǜ）分别为97%、94%和86%。通过合适的纳滤膜的选用,可以使得饮用水水质满足更高的安全优质（zhì）饮水水质标准。
此外，纳（nà）滤出（chū）水是低腐蚀性的，对饮用水管网的使用期和管道金属离子的溶出（chū）有正面的（de）影响，有利于保护（hù）配水系统的所有材科。试验表明采用必要（yào）后处理的（de）纳滤膜系统能够使（shǐ）管网中铅的（de）溶解减少50%，同时使其他溶出（chū）的金属离子浓度满足饮（yǐn）水水质标准要求（qiú）。
挥发性有机物(VOC)的去除：对饮用水中痕量（liàng）挥发性有机物具有较高的去除率（lǜ）。
在管道直饮（yǐn）水中的应用：纳滤可以截留（liú）二价（jià）以上的离子和其他（tā）颗粒，所透过的只有水分子和一些（xiē）一价的（de）离子(如钠、钾、氯离子)。纳滤可（kě）以用于生产直（zhí）饮水，出水中（zhōng）仍保留一定的离子，并可降（jiàng）低处理费用