软化水设备：纳滤膜性质特点及在水处理的应用解析

纳滤（NF）膜的研制与应用较反渗透膜大约晚20年。20世纪70年代J·E·Cadotte研究NS-300膜，即为研究NF膜的开始。当时，以色列脱盐公司用“混合过滤”（hybridfiltration）来表示介于反渗透与超滤之间的膜分离过程，称为松散反渗透（looseRO）膜。后来美国的Filmtec公司把这种膜技术称为纳滤，一直沿用至今。之后，纳滤技术发展得很快，膜组件于80年代中期商品化。目前，纳滤技术已成为世界膜分离领域研究的热点之一。
(1)纳滤膜定义
到目前为止，对纳滤膜的准确定义、机制、特征等的认识还远远不充分。学术界比较统一的解释纳滤膜的定义包括以下七个方面：
①纳滤膜介于反渗透和超滤膜之间，其膜表面分离皮层可能具有纳米级微孔结构。
②相对于反渗透膜NaCI的脱除率均在95%以上，一般将NaCI脱除率为90%以下的膜均可称之为纳滤膜。
③反渗透膜几乎对所有溶质都有很高的脱除率，而纳滤膜只对特定的溶质具有脱除率。
④纳滤膜孔径在1nm以上，一般1～2nm。
⑤主要去除一个纳米左右的溶质粒子，截留分子量在200～1000道尔顿。
⑥反渗透膜几乎均为聚酰胺材质，而纳滤膜材料可采用多种材质，如醋酸纤维素、醋酸-三醋酸纤维素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺复合材料和无机材料等。
⑦一般纳滤膜的表面形成高聚物电解质因而常常有较强的负电荷性。
(2)纳滤原理
纳滤原理与超滤及反渗透等膜分离过程一样，纳滤也是以压力差为推动力的膜分离过程，是一个不可逆过程。其分离机制可以运用电荷模型（空间电荷模型和固定电荷模型）、细孔模型以及近年来才提出的静电排斥和立体阻碍模型等来描述。与其他膜分离过程比较，纳滤的一个优点是能截留透过超滤膜的小分子量的有机物，又能透析反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差一般为0.5～2.0MPa，比用反渗透膜达到同样的渗透能量所必须施加的压差低0.5～3MPa。在同等的外加压力下，纳滤的通量要比反渗透大得多，而在通量一定时，纳滤所需的压力则比反渗透的低很多。所以用纳滤代替反渗透时，“浓缩”过程可更有效、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在给定压力的情况下，随着浓度的增加而下降；
④对于阴离子来说，按NO3-、CI-、OH-、SO42-、CO42-顺序上升。
⑤对于阳离子来说，按H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+顺序上升。
(3)纳滤膜应用
纳滤膜的这些性能决定了其在饮水处理中特有的广阔的应用，简述如下。
①软化：膜软化水主要是利用纳滤膜对不同价态离子的选择透过特性而实现对水的软化。膜软化在去硬度的同时，还可以去除其中的浊度、色度和有机物，其出水水质明显优于其他软化工艺。而且膜软化具有无须再生、无污染产生、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，随着纳滤性能的不断提高，纳滤膜组件的价格不断下降，膜软化法在投资、操作、维护等方面已优于或接近于常规法。
②用于去除水中有机物：纳滤膜在饮水处理中除了软化之外，多用于脱色、去除天然有机物与合成有机物（如农药等）、三致物质、消毒副产物（三卤甲烷和卤乙酸）及其前体和挥发性有机物，保证饮用水的生物稳定性等。
三致物质的去除：研究表明，纳滤膜能够去除水中大部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纳滤技术对饮水中的内分泌干扰物质的截留特性，为安全优质饮水提供依据。
消毒副产物及其前体物的去除：消毒副产物主要包括三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）和可能的三氯乙醛氢氧化物（CH）。国外的科技工作者在这方面已开展了广泛的研究，纳滤膜对这三种消毒副产物的前体物的平均截留率分别为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饮水水质标准。
此外，纳滤出水是低腐蚀性的，对饮用水管网的使用期和管道金属离子的溶出有正面的影响，有利于保护配水系统的所有材科。试验表明采用必要后处理的纳滤膜系统能够使管网中铅的溶解减少50%，同时使其他溶出的金属离子浓度满足饮水水质标准要求。
挥发性有机物(VOC)的去除：对饮用水中痕量挥发性有机物具有较高的去除率。
在管道直饮水中的应用：纳滤可以截留二价以上的离子和其他颗粒，所透过的只有水分子和一些一价的离子(如钠、钾、氯离子)。纳滤可以用于生产直饮水，出水中仍保留一定的离子，并可降低处理费用