纳滤膜分离技术在水处理领域的应用_田云龙

-122-中国科技信息2008年第9期CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYINFORMATIONMay.2008制造的需求、降低经济成本、实现低操作压力而不断发展的新膜品种，在水处理领域有着广泛的用途。2纳滤膜及其分离机理2.1纳滤膜的定义纳滤膜早期称为“低压疏松型反渗透膜”，是80年代初继典型的反渗透复合膜之后开发出来的。其准确的定义到目前为止，学术界还没有一个统一的解释，这里暂表达如下：纳滤膜是透过物大小在1-10nm，科学家们推测纳滤膜表面分离层可能拥有纳米级（10nm以下）的孔结构，故习惯上称之为“纳滤膜”又叫“纳米膜”、“纳米管”。纳滤分离作为一项新型的膜分离技术，技术原理近似机械筛分。但是纳滤膜本体带有电荷性。这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。2.2纳滤膜的分离机理现今普遍认为纳滤膜传质机理为溶解一扩散方式，其对无机盐的分离行为不仅受到化学势梯度控制，同时也受到电势梯度的影响[1]，就目前提出的各种NF膜分离机理，还没有一个对此比较系统完善的解释。而用于描述NF膜分离机理的模型主要有热力学不可逆模型、电荷模型、静电排斥和立体位阻模型。2.2.1热力学不可逆模型NF膜分离过程与微滤、超滤、反渗透膜分离过程一样，以压力差为驱动力，其通量可以由非平衡热力学模型建立的现象论方程式[2]来表征：JV=LP(ΔP-δΔπ)JS=(1-δ)纳滤膜分离技术在水处理领域的应用田云龙天津工业大学材料化工学院300160摘要文章简要介绍了纳滤膜的定义以及纳滤膜的分离机理，并综述了纳滤膜分离技术在生活污水处理、饮用水净化、工业水和农业水处理中的研究应用现状，并对纳滤膜分离技术的应用前景进行了展望。关键词纳滤膜;分离;水处理;反渗透1前言膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为反渗透膜RO、纳滤膜NF、超滤膜UF、微滤膜MF等。目前国内外膜分离领域研究的热点之一是纳滤膜分离技术，它是反渗透工艺为适应工业软化水CSJV+KPΔC式中，JV为溶剂迁移通量；JS为溶质迁移通量；LP为膜的水力渗透系数；ΔP为膜两侧压差：δ为膜对溶质的截留系数：Δπ为膜两侧渗透压差：CS为膜内溶质浓度：KP为溶质的透过系数。2.2.2电荷模型根据对膜内电荷及电势分布情形的不同假设，电荷模型分为空间电荷模型(thespacechargemodel)和固定电荷模型(thefixed—chargemodel)。空间电荷模型最早由Osterle等[3]提出，此模型假设膜由孔径均一且壁面上电荷分布均匀的微孔组成。微孔内的离子浓度和电场电势分布、离子传递和流体流动分别由Poisson—Boltzmann方程、Nernst—Plank方程和Navier-Stokes方程等来描述。固定电荷模最早由Teorell、Meyer、Sievers等[4]提出，因而又称TMS模型，此模型假设膜相是一个凝胶层而忽略膜的微孔结构，离子浓度和电位在膜内任意方向分布均匀，仅在膜面垂直方向因Donnan效应和离子迁移存在一定的电势分布和离子浓度分布。2.2.3静电排斥和立体位阻模型近几年，Wang等[5]通过实验建立了静电排斥和立体阻碍模型(theelectrostaticandsteric—hindrancemodel)，简称为图1生活污水NF处理流程-123-静电位阻模型。该模型假定膜分离层由孔径均一、表面电荷分布均匀的微孔构成，其结构参数包括孔径、开孔率、膜分离层厚度和膜的体积电荷密度。根据上述参数，对已知的分离体系，就可用静电位阻模型预测各种溶质通过膜的分离特性。静电位阻模型既考虑了细孔模型所描述的膜微孔对中性溶质大小的位阻效应，又考虑了固体电荷所描述的膜的带电特性对离子的静电排斥作用，因而该模型可以较好地描述NF膜的分离机理。3纳滤膜分离技术在水处理中应用3.1纳滤膜在生活污水处理中的应用生活污水一般用生物降解和化学氧化法相结合处理，氧化剂的浪费很大，且残留物多。因此可以在它们之间加纳滤环节，被微生物降解的小分子透过(Mw<100)纳滤膜，而截留住不能生物降解的大分子(Mw>100)，再进化学氧化器后再去生物降解，这样就可充分利用生物降解作用，节约氧化剂或活性炭用量，降低最终残留物含量。其处理流程如图1。3.2纳滤膜在饮用水净化中的应用饮用水的污染问题愈来愈