纳滤(NF)膜法——种新型的水处理技术

2005年，第7—8期知识介绍69纳滤(NF)膜法——一种新型的水处理技术吴淑琰应桃开(浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华321004)摘要：介绍了一种新型的水处理技术——纳滤膜法，对它的发展概况、特点，分离机理以及在水处理领域的应用作了简单的阐述。关键词：纳滤膜：膜分离；水处理文章编号：1005-6629(2005)07—08—0069—02中图分类号：069文献标识码：E水处理技术通过各种相应措施，把污废水中所含的污染物质加以分离或转化，从而起到减轻污染、保护环境的作用。传统污废水处理技术根据处理原理的不同分为：物理法、化学法和微生物法。常用的物理方法有蒸馏法和机械分离法；化学方法分为化学处理法、离子交换处理法、活性炭吸附等。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对环境质量的要求越来越高，传统的污废水处理技术难以满足当今的污水排放标准的要求，各种新型的、改良的、高效的污废水处理技术应运而生，纳滤(Nanofiltration，简称N膜技术就是其中引人注目的技术之一。1NF膜发展概述及其特点纳滤膜的研究始于20世纪70年代J．E．Cadotte对NS一300膜的研究。纳滤是介于超滤和反渗透之间的新型膜分离技术，它的出现弥补了反渗透与超滤间的空白。纳滤膜组件在20世纪80年代中期实现工业化，并在许多领域得到了应用。早期对具有纳滤性质膜的命名并不统一，20世纪70年代，以色列脱盐公司将介于反渗透与超滤之间的膜分离称为“杂化过滤”(HybridFiltration)，“杂化过滤”名称本身并不能准确反映出这种新膜分离过程的特点，并且容易误解，后来美国Film—Tech公司根据膜的截流相对分子质量和膜孔径尺寸大约lnm的特征，把这种膜技术称为纳滤，一直沿用至今。纳滤膜具有三个典型的特点：(1)适宜于分离相对分子质量200—1000，大小约为lnm的溶解组分。(2)低压操作。分离需要的膜间渗透压差一般是0．5—2．0MPa，因而又被称为超低压反渗透(LowPressureRO)。(3)离子选择性。由于纳滤膜上常带有电荷，通过静电作用对于不同价态的离子存在Donnan效应，可实现不同离子的分离。因此物料的荷电性，离子价数和浓度对膜的分离效应有很大影响。2NF膜的分离机理纳滤膜的分离机理和模型是研究的热点之一，存在多种见解。就目前提出的纳滤膜机理来看，大部分学者认为，纳滤膜的分离作用主要是粒径排斥和静电排斥：对于非荷电分子，分离机理主要是筛滤或粒径的排斥：离子的分离机理是筛滤和静电排斥。2．1有机物的分离机理研究者认为对于有机溶质的分离属于筛网效应，其脱除率主要与相对分子质量大小和分子形状有关。由于有机物分子不能被膜的表面排斥，而且有机物倾向于降低溶液与膜之间的表面张力，因此一些相对分子质量小于100的有机物分子很容易聚集在膜表面，容易通过膜的孔隙；相对分子质量在100—200之间的有机物分子能被脱除一部分；相对分子质量在200以上的有机物分子，基本上能被完全分离。但随着研究的深入，研究者发现有机物的去除机理并非这么简单，Duvelh和Helfgott做了一系列的反渗透试验，发现有机物的去除与分子的空间几何大小有半定量的关系，还发现分子的化学特性，特别是形成氢键的能力也会影响有机物的除脱。2．2对无机物的分离机理大部分纳滤膜为荷电型，研究者就此提出了多种无机离子的分离机理和模型。其中一种典型的机理模型——D0nnan平衡模型为：将荷电基团的膜置于盐溶液时，溶液中的反离子即与膜所带电荷相反的离子，在膜内的浓度大于其在主体溶液中的浓度；而同名离子即与膜所带电荷相同的离子，在膜70化学教学2005年，第7—8期内的浓度低于其在主体溶液中的浓度，由此形成了Donnan位差，阻止了同名离子从主体溶液向膜内的扩散。为了保持电中性，反离子同时被膜截留。该模型是把截留率看作膜的电荷容量、进料液中溶质的浓度以及离子的荷电数的函数来进行预测的，但没考虑扩散和对流的影响，而这些作用在真实的荷电膜中的影响不容忽视。根据材质不同可分成多种纳滤膜，其中双极膜(Bipolarmembrane)是一种新的荷电纳滤膜品种。荷正电膜由于易被水中存在的负电胶质阻塞而应用不广；荷负电膜可以选择性地分离多价阴离子，但对正离子的分离效果不好。采用双极膜，从而使正离子在正电层被截留，而负离子在负电层被截留。双极膜的制备通常是在荷负电膜面上吸附一种含有胺基团的聚合物材料，也可以通过在荷正电膜面上吸附含有磺酸基团的聚合物材料制成，分离示意图1表明这种膜可以更有效分离1、2价离子。(1)荷负电膜分离(2)双极膜分离图1纳滤分离1、2价离子示意图3NF膜在水处理中的应用膜独特的性能决定了其在水处理领域特有的广阔应用前景，主要归纳为以下几种常见的水处理。3．1生活污水生活污水一般用生