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纳滤膜在污水处理中的应用现状与展望

作者:未知

  【摘 要】纳滤膜的分离效果介于超滤和反渗透膜之间,纳滤过程兼具筛分效应和膜面电荷的道南效应。纳滤对水中大多数有机物、多价盐离子具有很高的截留率,但对单价离子截留率较低,因而对单价、多价盐具有良好的选择分离特性。本文总结了纳滤膜在污水处理中应用情况,并针对纳滤膜在应用中存在的问题提出了可行的方法和建议,展望了纳滤膜未来的发展方向。
  【关键词】纳滤;污水处理;膜技术;工程应用
  1.前言
  纳滤膜在废水处理中的应用现状及展望。
  纳滤作为一种介于超滤和反渗透之间的膜过滤技术,可以高效截留水中的多价盐和有机污染物,同时结合其对单价盐截留率相对较低的特点,纳滤对单价、多价离子混合体系具有很好的选择分离特性,近年来在饮用水软化、污水深度处理与回用、工业过程浓缩分离等方面得到了较为广泛的应用[1]。
  2.纳滤膜的发展过程
  纳滤膜起源于20 世纪70年代,伴随着低压反渗透膜(RO)的诞生而发展的一种新型膜技术。纳滤膜最早被称为“疏松的反渗透膜”或“致密的超滤膜”,后来因普遍推测其可能具有1 nm 左右的孔道而改称之为“纳滤膜”。
  纳滤膜最早应用于饮用水处理行业,世界上第一个纳滤水厂就是专门针对水质软化的需求而设立的,其处理对象主要是地下水。此外,纳滤还被作为海水淡化工艺中反渗透的预处理工艺,减轻了反渗透膜在实际运行过程中的结垢污染问题。
  3.纳滤膜的材质、性能特点及膜污染问题
  纳滤膜产品通常由聚合物支撑层组成的复合材料设计制作而成,按照膜结构类型主要有螺旋缠绕卷式结构(SW) 、板框式结构、中空纤维结构 、毛细管结构、管式结构,其中螺旋卷式膜结构的膜元件占据了纳滤和反渗透膜全球市场份额的91%[2]。
  常用的膜材料主要有聚偏氟乙烯(PVDF) 、聚乙烯( PE) 、醋酸纤维素(CA) 、聚丙烯( PP) 、磺化聚砜( SPS) 、磺化聚醚砜(SPES) 、聚酰胺( PA ) 、聚乙烯醇( PVA) 和聚氯乙烯( PVC) 等,其中聚酰胺材質通常被用于制备纳滤膜结构中的薄膜层。
  纳滤膜通过改变哌嗪的解离度以控制纳滤膜对离子的截留性能,得到适于不同用途的纳滤膜产品。例如:NF270 产水量高,主要用于水中总有机碳( TOC) 和三卤代烷( THM) 前驱物的去除,对盐分去除率中等偏低( Table 1) ; NF200 对除草剂和TOC 具有很高的脱除率; NF90 能够高度脱除水中的盐分( 90%) ,除去除杀虫剂、除草剂和有机物外,还可有效去除硝酸盐、铁等离子; NF 主要用于工艺物料浓缩,截留分子量200 Da 以上的有机物而允许单价盐透过[3]。
  膜污染是膜分离技术应用过程中普遍面临的问题之一。纳滤膜的膜污染对应的污染物主要包括有机溶质、无机溶质、胶体和生物固体类物质。根据处理原水水质选择合理有效的预处理工艺 、选择合适的纳滤膜种类 、合理的膜组件构型设计和操作方式以及优化的工艺设计、适宜高效的膜清洗周期和方式 ,可有效防止和减轻膜污染[4]。
  4.纳滤膜在污水处理中的应用
  4.1城市污水
  随着城市水资源的日益匮乏和日益严格的污水排放标准,传统的处理工艺已不能满足城市污水的深度处理和回用的需求,在水回用的驱动力下,膜技术在城市污水回用中得到了广泛应用和良好的效果。以北京为例,污水排放标准的不断提升,传统工艺已无法满足达标排放甚至污水回用的需求,而经过纳滤深度处理后的污水可以满足绝大多数污水回用水水质的需求。
  4.2纺织印染废水
  纺织印染行业中大量使用的染料物质分子量通常分布在700~ 1000 Da 范围内,非常适于纳滤膜技术处理。目前,纳滤膜已经在纺织废水的深度处理与回用中取得了一些应用。例如,李昆等[5]采用MBR-NF 组合工艺处理纺织废水厌氧池出水,通过将浓水回流至MBR池的方法可将系统水回收率提高至90%以上,而整个系统对纺织废水中污染物具有稳定高效的去除效果,其中纳滤出水TOC低于4 mg·L-1,浊度、色度去除率分别高达99.64%和96.41%。此外,混凝/絮凝与纳滤膜联用、砂滤/微滤与纳滤膜联用均被证明可在满足出水水质要求的同时有效降低膜污染状况的发生。
  4.3食品、饮料和乳制品废水
  纳滤膜在食品、饮料行业得到了成功的应用,主要用于过程的浓缩、脱盐以及环境相关的水处理,比如: 乳清蛋白的浓缩和脱盐,葡萄糖浆的纯化以及对工艺清洗液、离子交换树脂再生液的回收。小分子物质和单价盐可以部分透过纳滤膜,而较大分子物质则会被截留,如糖类等。在饮料行业,分装运输前的果汁需要先浓缩,减少运输的体积和成本,使用时再将损失的水分补足。
  在食用油、乳制品和制糖等其他行业,纳滤膜也有着广泛的应用前景。
  4.4油田采出水
  油田采出水约占油田采出液总量的60%~90%,这就意味着在很多情况下采出水的总量要比实际开采出的油量高出许多倍。将微滤、超滤、纳滤膜、反渗透等膜技术用于油田产出水的处理与回用已相当成熟,并逐步应用于工业生产中。中国海洋大学的潘振江等采用UF+NF 双膜法组合工艺进行了处理油田采出水的现场试验研究,结果发现UF+NF双膜系统能在较长的运行周期内保持稳定的产水通量,产水水质指标满足油田注汽锅炉进水水质要求。
  5.结论
  纳滤在饮用水处理和食品、化工、石油、制药等行业的物料分离和废水深度处理等方面得到了广泛应用,同时也受到了限制,包括膜污染问题、浓水处理、不够彻底的分离效果等。可从两个方面着手:设计合理的工艺或选择适宜的膜种类; 建立适合于传质过程的传质模型,优化膜性能和处理效果。随着新型膜材料的研发、膜组件设计构型的优化以及过滤过程的模拟控制的深入研究,纳滤膜将在更多的行业和领域应用得到发展。
  【参考文献】
  [1] 陈观文,许振良,曹义鸣. 2013. 膜技术新进展与工程应用[M]. 北京: 国防工业出版社
  [2] Lee K P,Arnot T C,Mattia D. 2011. A review of reverse osmosis membrane materials for desalination—Development to date and future potential[J]. Journal of Membrane Science,370( 1) : 1-22
  [3] 陶氏化学公司. 2012. FILMTEC 反渗透和纳滤膜元件产品与技术手册2012 版[M]. USA: 陶氏化学公司.1-333
  [4] 芮玉青,王薇,杜启云. 2009. 纳滤技术的应用进展及存在问题[J].
  工业水处理,29( 9) : 15-18
  [5] 李昆,魏源送,王健行,等. 2014. 再生水回用的标准比较与技术经济分析[J]. 环境科学学报,34( 07) : 1635-1653
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