1 納濾膜(NF)的定義與分離機(jī)理

納濾膜(NF)早期被稱為“低壓反滲透膜”或“疏松反滲透膜”，是一種介于反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間的新型的壓力驅(qū)動膜。

NF膜孔徑為納米級(10-9 m)，截留分子量在200~2 000 Da(道爾頓)，NF膜的孔徑通常為0.5~1 nm，選擇性分離直徑大于l nm左右的溶解組分，可以有效截留二價及以上離子、有機(jī)小分子(分子量≥200 Da)，但是使大部分一價無機(jī)鹽透過，從而實(shí)現(xiàn)高低分子量有機(jī)物的選擇性分離。NF融合了兩種截留機(jī)理：篩分效應(yīng)和Donnan效應(yīng)。膜的篩分效應(yīng)，是指膜孔徑為納米級(10-9 m)，可以選擇性截留分子量大于納米級孔徑的溶質(zhì)。篩分效應(yīng)主要選擇性截留不帶電荷的物質(zhì)，基于分子量或分子大小和形狀(而不管其離子電荷如何)將不同分子量的物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離，如圖1所示。膜的Donnan效應(yīng)又稱為電荷效應(yīng)，是指帶負(fù)電的膜與溶液中鹽分的陰離子之間的電斥力作用，而選擇性截留帶有正電荷的多價正離子的滲透，提高脫鹽率。NF膜可高度截留多價鹽(截留率≥96%)，例如硫酸鎂(MgSO4)，而不管其進(jìn)料濃度如何。它也截留一價鹽，例如氯化鈉，典型截留率為0~50%，取決于進(jìn)料濃度。

圖1 膜對溶質(zhì)的截留分子量

疏松RO膜與NF不同，它是一種對所有鹽(一價和多價)均具有較低截留率的RO膜。納濾(NF)與反滲透(RO)膜典型分離性能對比如表 1所示。表1中，四種類型膜應(yīng)用過程中的鹽截留率變化為：標(biāo)準(zhǔn)RO>低壓RO>致密性NF>疏松性NF，而能耗變化則與鹽截留率變化相反：標(biāo)準(zhǔn)RO<低壓RO<致密性NF<疏松性NF。NF在較低壓力下仍具有較高脫鹽率的原因可用Donnan效應(yīng)解釋。NF具有的特點(diǎn)如下：(1)納米級孔徑：截留分子量在200~1 000 Da，選擇性分離大于l nm左右的溶解組分。(2)截留效果：二價及以上價位離子>單價離子，一價鹽的脫除率低于90%，二價鹽脫除率高于90%。NF對陰離子的截留率順序?yàn)镹O3-

表1 NF與RO膜典型性能對比

由表1可知，與常規(guī)RO膜相比，NF膜主要的技術(shù)特點(diǎn)是低壓力、低能耗，常規(guī)NF的運(yùn)行壓力在5 bar左右，節(jié)能效果顯著。NF膜對偏硅酸的截留率低，可以保留大部分偏硅酸，從飲用水的角度考慮可以保留有益的礦物質(zhì)，膜系統(tǒng)的角度考慮，由于沒有硅結(jié)垢問題，所以系統(tǒng)回收率不受偏硅酸含量的影響;NF膜對碳酸氫根的截留率不高，從飲用水的角度考慮可以保留部分堿度，從膜系統(tǒng)的角度考慮，碳酸鈣結(jié)構(gòu)傾向小，系統(tǒng)回收率受LSI影響較小。NF由于結(jié)垢問題不易出現(xiàn)，無需或只需要少量的阻垢劑，膜污染壓力較輕，化學(xué)清洗的頻率較低，因此藥劑用量少，運(yùn)行費(fèi)用低且化學(xué)污染排放少，因此NF可以設(shè)置較高的系統(tǒng)回收率，一方面提高了水利用率，另一方面減小濃水排放的壓力。此外，NF膜出水pH變化小，出水可直接輸入市政管網(wǎng)(腐蝕問題)，堿度、TDS適當(dāng)、去除了絕大部分硫酸鹽，適當(dāng)降低了TDS，因此出水口感好。

2 NF膜在飲用水處理中的應(yīng)用

飲用水水質(zhì)安全問題直接關(guān)系到廣大人民群眾身體健康，保障飲用水水質(zhì)安全，是維護(hù)公眾健康的重要基礎(chǔ)，是基本民生問題。飲用水水質(zhì)安全已成為政府、公眾和廣大科技工作者共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對水體污染認(rèn)識的逐步提升，公眾對飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求不斷提高。NF可有效應(yīng)用于去除有機(jī)物和色度、降低TDS濃度、軟化水質(zhì)。理論狀態(tài)下，納濾膜能完全除去大分子的有害有機(jī)物，同時選擇性除去多余的無機(jī)物(出水應(yīng)TDS<300 mg/L，最大不超過500 mg/L)，對一價離子的截留率≤40%，對二價離子的截留率≥90%以上，并且可以選擇性截留分子量200~1 000 Da的中性溶質(zhì)。所以，納濾膜在低分子有機(jī)物分級、水質(zhì)軟化、脫鹽等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

2.1 脫鹽

水中Ca2+、Mg2+離子的總含量體現(xiàn)了水的總硬度。納濾技術(shù)能夠去除絕大部分的Ca、Mg等離子，因此脫鹽(desalination)是納濾技術(shù)應(yīng)用最多的領(lǐng)域。采用FilmTech的NF-70和NF-45膜經(jīng)過二步納濾分離(操作壓力：0.5~0.7 Mpa)，脫除70%的一價離子及85%~95%的硬度，水質(zhì)硬度降低了10~20倍。然后進(jìn)行氯化處理，即可制成適合飲用的標(biāo)準(zhǔn)飲用水。NF不但可直接用于地下水、地表水和海水的軟化，還可以作為反滲透(Reverse osmosis，RO)、太陽能光伏脫鹽裝置(Photovoltaic-powered desalination system)等的預(yù)處理。

氟化物會對生物體的牙齒和骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，而納濾處理能夠有效減少水中氟化物的含量。NF對飲用水中的硝酸鹽具有較好的去除率，當(dāng)飲用水中硝酸根離子的濃度為300 μg/L時，NF90的去除率可達(dá)90%。此外，NF膜還可有效除砷，研究結(jié)果顯示，NF膜對As(Ⅴ)的去除率遠(yuǎn)大于As(Ⅲ)，不同型號的NF膜對As(Ⅴ)的平均去除率為89%~96%，而對As(Ⅲ)的去除率一般都低于50%。

NF技術(shù)不僅可以除氟、痕量鈾(0.02 mg/L，VI)、堿金屬和堿土金屬離子，降低水中的溶解性鹽類的含量，還可以改善口感。隨著高端飲用水的開發(fā)和普及，口感已成為評價飲用水質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

由于海水含鹽量高、硬度大、濁度變動大，極容易在短時間內(nèi)對反滲透膜造成污染。為了防止海水對反滲透膜的過快污染，在進(jìn)入反滲透裝置之前必須進(jìn)行有效的預(yù)處理。與傳統(tǒng)的預(yù)處理方法相比，NF預(yù)處理工藝具有占地小、操作簡單、處理效果好、能耗低等諸多優(yōu)勢有效降低RO膜兩側(cè)的滲透壓，從而顯著提高淡水回收率。

國外有人設(shè)計(jì)試驗(yàn)了耦合集成的海水淡化技術(shù)：將納濾NF、反滲透(RO)與多級閃急蒸餾(MSF)耦合在一起，經(jīng)NF預(yù)處理后，海水硬度降低了80%以上，總?cè)芙夤腆wTDS下降了約50%，而且去除了所有有機(jī)污染物，從而大大提高了反滲透RO膜的淡水回收率。

編輯：李丹