纳滤膜技术在饮用水深度处理中的应用现状

1 纳滤膜(NF)的定义与分离机理

纳滤膜(NF)早期被称为“低压反渗透膜”或“疏松反渗透膜”，是一种介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间的新型的压力驱动膜。

NF膜孔径为纳米级(10-9 m)，截留分子量在200~2 000 Da(道尔顿)，NF膜的孔径通常为0.5~1 nm，选择性分离直径大于l nm左右的溶解组分，可以有效截留二价及以上离子、有机小分子(分子量≥200 Da)，但是使大部分一价无机盐透过，从而实现高低分子量有机物的选择性分离。NF融合了两种截留机理：筛分效应和Donnan效应。膜的筛分效应，是指膜孔径为纳米级(10-9 m)，可以选择性截留分子量大于纳米级孔径的溶质。筛分效应主要选择性截留不带电荷的物质，基于分子量或分子大小和形状(而不管其离子电荷如何)将不同分子量的物质进行选择性分离，如图1所示。膜的Donnan效应又称为电荷效应，是指带负电的膜与溶液中盐分的阴离子之间的电斥力作用，而选择性截留带有正电荷的多价正离子的渗透，提高脱盐率。NF膜可高度截留多价盐(截留率≥96%)，例如硫酸镁(MgSO4)，而不管其进料浓度如何。它也截留一价盐，例如氯化钠，典型截留率为0~50%，取决于进料浓度。

图1 膜对溶质的截留分子量

疏松RO膜与NF不同，它是一种对所有盐(一价和多价)均具有较低截留率的RO膜。纳滤(NF)与反渗透(RO)膜典型分离性能对比如表 1所示。表1中，四种类型膜应用过程中的盐截留率变化为：标准RO>低压RO>致密性NF>疏松性NF，而能耗变化则与盐截留率变化相反：标准RO<低压RO<致密性NF<疏松性NF。NF在较低压力下仍具有较高脱盐率的原因可用Donnan效应解释。NF具有的特点如下：(1)纳米级孔径：截留分子量在200~1 000 Da，选择性分离大于l nm左右的溶解组分。(2)截留效果：二价及以上价位离子>单价离子，一价盐的脱除率低于90%，二价盐脱除率高于90%。NF对阴离子的截留率顺序为NO3-

表1 NF与RO膜典型性能对比

由表1可知，与常规RO膜相比，NF膜主要的技术特点是低压力、低能耗，常规NF的运行压力在5 bar左右，节能效果显著。NF膜对偏硅酸的截留率低，可以保留大部分偏硅酸，从饮用水的角度考虑可以保留有益的矿物质，膜系统的角度考虑，由于没有硅结垢问题，所以系统回收率不受偏硅酸含量的影响;NF膜对碳酸氢根的截留率不高，从饮用水的角度考虑可以保留部分碱度，从膜系统的角度考虑，碳酸钙结构倾向小，系统回收率受LSI影响较小。NF由于结垢问题不易出现，无需或只需要少量的阻垢剂，膜污染压力较轻，化学清洗的频率较低，因此药剂用量少，运行费用低且化学污染排放少，因此NF可以设置较高的系统回收率，一方面提高了水利用率，另一方面减小浓水排放的压力。此外，NF膜出水pH变化小，出水可直接输入市政管网(腐蚀问题)，碱度、TDS适当、去除了绝大部分硫酸盐，适当降低了TDS，因此出水口感好。

2 NF膜在饮用水处理中的应用

饮用水水质安全问题直接关系到广大人民群众身体健康，保障饮用水水质安全，是维护公众健康的重要基础，是基本民生问题。饮用水水质安全已成为政府、公众和广大科技工作者共同关注的热点问题之一。近年来，随着科学技术的发展和进步，人们对水体污染认识的逐步提升，公众对饮用水水质标准的要求不断提高。NF可有效应用于去除有机物和色度、降低TDS浓度、软化水质。理论状态下，纳滤膜能完全除去大分子的有害有机物，同时选择性除去多余的无机物(出水应TDS<300 mg/L，最大不超过500 mg/L)，对一价离子的截留率≤40%，对二价离子的截留率≥90%以上，并且可以选择性截留分子量200~1 000 Da的中性溶质。所以，纳滤膜在低分子有机物分级、水质软化、脱盐等方面具有独特的优势。

2.1 脱盐

水中Ca2+、Mg2+离子的总含量体现了水的总硬度。纳滤技术能够去除绝大部分的Ca、Mg等离子，因此脱盐(desalination)是纳滤技术应用最多的领域。采用FilmTech的NF-70和NF-45膜经过二步纳滤分离(操作压力：0.5~0.7 Mpa)，脱除70%的一价离子及85%~95%的硬度，水质硬度降低了10~20倍。然后进行氯化处理，即可制成适合饮用的标准饮用水。NF不但可直接用于地下水、地表水和海水的软化，还可以作为反渗透(Reverse osmosis，RO)、太阳能光伏脱盐装置(Photovoltaic-powered desalination system)等的预处理。

氟化物会对生物体的牙齿和骨骼系统产生严重危害，而纳滤处理能够有效减少水中氟化物的含量。NF对饮用水中的硝酸盐具有较好的去除率，当饮用水中硝酸根离子的浓度为300 µg/L时，NF90的去除率可达90%。此外，NF膜还可有效除砷，研究结果显示，NF膜对As(Ⅴ)的去除率远大于As(Ⅲ)，不同型号的NF膜对As(Ⅴ)的平均去除率为89%~96%，而对As(Ⅲ)的去除率一般都低于50%。

NF技术不仅可以除氟、痕量铀(0.02 mg/L，VI)、碱金属和碱土金属离子，降低水中的溶解性盐类的含量，还可以改善口感。随着高端饮用水的开发和普及，口感已成为评价饮用水质量的一项重要指标。

由于海水含盐量高、硬度大、浊度变动大，极容易在短时间内对反渗透膜造成污染。为了防止海水对反渗透膜的过快污染，在进入反渗透装置之前必须进行有效的预处理。与传统的预处理方法相比，NF预处理工艺具有占地小、操作简单、处理效果好、能耗低等诸多优势有效降低RO膜两侧的渗透压，从而显著提高淡水回收率。

国外有人设计试验了耦合集成的海水淡化技术：将纳滤NF、反渗透(RO)与多级闪急蒸馏(MSF)耦合在一起，经NF预处理后，海水硬度降低了80%以上，总溶解固体TDS下降了约50%，而且去除了所有有机污染物，从而大大提高了反渗透RO膜的淡水回收率。

编辑：李丹