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納濾膜分離技術處理水污染的應用及前景分析

      NF膜早期被稱為松散反滲透（LooseRO）膜，是80年代初繼典型的RO復合膜之后開發出來的。可這樣來論述“納濾”的概念：適宜于分離分子量在200g/mol以上，分子大小約為1nm的溶解組分的膜工藝。

      納濾對于有機溶質的分離屬于篩網效應，其脫除率主要與相對分子質量大小和分子形狀有關。由于有機物分子不能被膜的表面排斥，而且有機物傾向于降低溶液與膜之間的表面張力，因此一些相對分子質量小于100的有機物分子很容易聚集在膜表面，容易通過膜的孔隙;相對分子質量在100～200之間的有機物分子能被脫除一部分;相對分子質量在200以上的有機物分子，基本上能被完全分離。

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      納濾膜的一個特點是具有離子選擇性：具有一價陰離子的鹽可以大量滲過膜（但并不是無阻擋的），然而膜對具有多價陰離子的鹽（例如硫酸鹽和碳酸鹽）的截留率則高得多。因此，鹽的滲透性主要由陰離子的價態決定。

      NF膜大多為荷電膜，其對無機鹽的分離行為不僅由化學勢梯度控制，同時也受到電勢梯度的影響，即膜的行為與其荷電性能以及溶質荷電狀態和相互作用都有關系。根據Donnan平衡模型，將荷電基團的膜置于鹽溶液時，溶液中的反離子即與膜所帶電荷相反的離子，在膜內的濃度大于其在主體溶液中的濃度;而同名離子即與膜所帶電荷相同的離子，在膜內的濃度低于其在主體溶液中的濃度，由此形成了Donnan位差，阻止了同名離子從主體溶液向膜內的擴散，為了保持電中性，反離子同時被膜截留。

      納濾過程之所以具有離子選擇性，是由于在膜上或者膜中有負的帶電基團，它們通過靜電互相作用，阻礙多價離子的滲透。根據說明，可能的荷電密度為0.5～2meq/g.

      為此，我們可用道南效應加以解釋：

      ηj=μj+zj.F.φ

      式中ηj——電化學勢;

      μj——化學勢;

      zj——被考查組分的電荷數;

      F——每摩爾簡單荷電組分的電荷量（稱為法拉第常數）;

      φ——相的內電位，并且具有電壓的量綱。

      式中的電化學勢不同于熟知的化學勢，是由于附加了zj.F.φ項，該項包括了電場對滲透離子的。利用此式，可以推導出體系中的離子分布，以出納濾膜的分離性能。

      該模型是把截留率看作膜的電荷容量、進料液中溶質的濃度以及離子的荷電數的函數來進行預測的，但沒考慮擴散和對流的影響，而這些作用在真實的荷電膜中的影響不容忽視。

      依據電荷效應，納濾膜可以降低水質硬度，去除飲用水中對人體有害的硝酸鹽、砷、氟化物和重金屬等無機污染物;依據篩分效應，納濾膜可以有效地去除農藥殘留物、三氯甲烷及其中間體、環境荷爾蒙物質、激素以及天然有機物等有機污染物。納濾技術用于處理受微污染的飲用水，具有分離效率高、易控制、工藝流程簡捷，使用靈活，對無機物去除率低，膜的結垢和污染程度輕，膜通量高，產水不需礦化等特點，使用NF膜從含鹽量不高的水源獲得優質飲用水，出水水質優質穩定、安全性高、生物穩定性好，同時可以降低消毒加氯量。

      用活性炭-納濾組合工藝技術對珠江三角洲地區自來水進行了飲水深度處理試驗研究，結果表明，該工藝可有效去除有機物、消毒副產物、氨氮及亞硝酸鹽等有毒有害物質，對有機微污染物去除率高達80%以上，可使凈化水達到較高飲水標準。

      使用納濾膜處理微污染水，不但能有效去除水中的無機和有機污染物等有害物質，能滿足對飲用水中高毒及“三致”作用的有機物去除的要求，而且對水中的Ca2+、NaCl等礦物質截留率低，從而保留水中一部分人體所需的礦物質，是處理微污染水和制備優質飲用水的有效方法，在飲用水深度處理中有廣闊的應用前景。

      而膜組件的成本除了市場的因素外，主要由膜材料和膜組件的制備工藝所決定，因此，要降低膜組件的成本，一方面要開發易得價廉的材料和加強制膜工藝的研究，另一方面，對膜組件的各方面應用的大力研究使得其膜組件市場需求的提提高，也有助于成本的降低。隨著膜技術的發展，膜組件成本高及膜污染、清洗問題的解決，將使膜技術在廢水處理中有越來越廣泛的應用，在解決全球水資源危機中發揮重要的作用。目前，我國地表水普遍污染嚴重，不僅隨著工業污染使得大量的有機污染物進入水源水，而且由于農業中大量地使用化肥和農藥，致使水源水農藥的含量較高，這使得使用常規的工藝處理難以達到安全飲水標準，如能采用納濾膜處理工藝，不僅能大幅度地提高出水水質，保障居民的飲水健康，而且能極大地節省占地面積和相應的征地費，減少基建投資。因此納濾膜分離技術可望成為21世紀安全飲用水保障的重要途徑，具有廣闊的應用前景。

      水源中對人體極為有害甚至具有“三致”作用的有機污染物具有以下特性：（1）分子量在800以下，主要在200左右;（2）非極性或中等極性;（3）多核芳烴。納濾膜技術的特點決定了其在飲用水制備方面具有獨特的作用，主要體現在對各種有害有毒有機物及無極鹽類的去除，可有效截留雜質、細菌和病原菌，去除水中各類微量有機污染物，特別是高毒及具有“三致”作用的污染物。

      隨著城市的日益擴大和工農業的迅猛發展，大量的生活污水和工農業廢水被排放到江河湖泊中，通過工農業使用和生活等人類活動而進入水體，使城市周圍地表水體的污染不斷呈加重趨勢，尤其是數以萬種的人工合成有機物、農藥、重金屬離子、氨氮及放射性物質等有害污染物，這些物質大多難以生物降解，在環境中有一定的殘留水平，具有生物富集性、“致畸、致癌、致突變”三致作用和毒性，若直接進入食物鏈，對公眾健康將產生嚴重危害。

      使用納濾膜分離技術進行水處理存在膜污染、膜穩定性和膜組件的造價成本高等問題，這些問題在一定程度上限制了納濾膜技術的大規模應用。其中，NOM被認為是造成膜污染的主要因素，NOM對納濾膜的滲透性能的影響遠遠大于粘土或其他無機膠體的影響，即使在濃度較低時也是如此。因此，了解由NOM所造成的膜污染的原因并找到對策是膜污染控制的主要挑戰。

      如今，水源水受到污染已是不爭的事實，并成為了世界范圍內普遍面臨的問題，常規制水工藝如混凝、沉淀、過濾工藝只能去除水中約20～30%的有機物，難達到飲用水水質衛生規范的標準，尋求和研究有效的微污染飲用水深度處理技術成為了必然的選擇。

      納濾膜在壓力作用下，由于水通量與壓力成正比，而水透過率比反滲透大些，其中的無機小分子透過率幾乎與壓力無關，因此只要適當控制壓力便可既去除水中有毒、有害物質，又可適量保留小分子的微量元素，能夠實現“最大程度地去除原水中的有毒有害物質，同時又保留原水中對人體有益的微量元素和礦物質的飲用水”已經達到很好的水質目標。