纳滤膜在苦咸水淡化工程中的应用

纳滤膜在苦咸水淡化工程中的应用

◆赵少延 张白婷 高亚男 谢垂阳

【摘 要】 ： 介绍了苦咸水的危害，综述了纳滤的原理及其独特的分离特点、纳滤膜在苦咸水淡化中的应用现状及进展。纳滤膜系统长期运行稳定 ,产水量基本保持恒定 ,操作压力低 ,能耗低 ,是一种适合于农村苦咸水淡化的可行性技术 。 【关键词】：纳滤膜 苦咸水 在我国西北干旱内陆地区 ,作为主要供水水源的地下水水质低劣,表现为高硬度 、高氟、高砷 、 高铁锰、低碘 、低硒特征 ,口感极差 ,甚至不能饮用 。据不完全统计， 我国农村约有 4000 多万人饮用此种苦咸水。其中的超 标盐类和杂质对人体危害很大， 如果人们长期饮用 这种高矿化度的苦咸水，会引起腹泻、腹胀等消化系 统疾病和皮肤过敏，还可能诱发肾结石及各类癌症， 严重影响生活质量和身体健康。此外，苦咸水对工农 业生产也存在很大危害，如能把这部分含盐量高的 苦咸水开发利用起来， 既可提高苦咸水地区居民的 生活质量，又可解决这些地区淡水资源匮缺的问题。 反渗透淡化技术在苦咸水淡化中已得到应用,但是其制水 成本目前仍然不适合应用于西北地区。近年来，纳滤(NF) 作为一项新兴的膜分离技术 正逐渐应用于苦咸水淡化， 其独特的分离性能确立 了它在苦咸水处理中具有重要的地位， 纳滤膜出水 水质优质稳定、安全性高，成本较低，易于实现自动 化控制，因此纳滤技术被认为是 21 世纪最有发展前景的饮用水处理技术之一， 在苦咸水淡化方面具有 其他技术不可比拟的优越性。 ★1. 纳滤膜在苦咸水淡化中的应用现状

纳滤膜是20世纪80年代末期发展起来的一种新型分离膜。是超低压反渗透技术的延伸和发展分支，截留分子量在反渗透和超滤之间。随着经济的发展和人们生活水平的提高， 人们 对健康饮用水的要求也愈加迫切。 纳滤膜独特的分 离特性使得它在许多领域都有广泛的应用。目前，采 用纳滤膜制取饮用水在国外已很普遍。 在美国目前 已有超过 100×104m3/d

规模的纳滤膜装置在运转， 其中最大的纳滤脱盐软化装置位于美国佛罗里达州，日产水量为 在沙特阿拉伯，SWCC 公司成功地开发出了纳滤作为海水淡化的预处理技术，15.1×104m3。

用于脱除硬度和总溶解固体，降低了反渗透的操作压力并提高了系统的回收率， 保证了膜组件的运行安全. 但在我国，将纳滤技术广泛应用于工程实践 的条件还不成熟，尚处于尝试阶段，主要问题是国产纳滤膜的性能指标不够过关。我国首套工业化大规模 膜软化系统———144 m3/d 纳滤膜淡化苦咸水制备饮用水示范工程， 由国家海洋局杭州水处理中心设计， 于 1997 年 10 月在山东长岛南隍城建成投产。 ★2. 纳滤膜的分离机理及分离特性 （1）纳滤膜分离的工艺流程

纳滤膜水处理装置由预处理和除盐两部分组，(见图 1 ) 。根据原水水质情况 ,预处理系统包含原水泵、多介质过滤器、精密过滤器 、阻垢加药及 pH调节系统和监测仪表等 。除盐系统由纳滤

1

淡化装置组成 ,设有高、低压自动保护及在线 pH 的电导自动检测系统。整个系统 配置一套过程控制器 ,能实现运行、备用及冲洗等自 动和手动操作功能。为了降低纳滤膜装置生产成本 ,采用国产纳滤膜元件。

以下是对纳滤膜处理苦咸水的几点分析： ①

由上图可得装置在运行的过程中 ,初期出水电导率较高 ,系统的脱盐率为 87 % , 随着系统运行时间的延长 ,系统的脱盐率也在逐渐上升 ,最后稳定在90 %以上 , 脱 盐效果 好 , 出 水电 导率优 于饮 用水标准。

②

表 1 纳滤进出水水质分析

项目 pH N a / (m g·L - 1 ) 811. 41 + 溶解性总固体 / - 1 (m g·L ) 3 062. 25 矿化度 / - 1 (m g·L ) 3 097. 77 - 2 +2 +HCO3 SO4 C lCa M g / / / / / - 1 - 1 - 1 - 1 () () m g·L (m g·L ) m g·L (m g·L ) (m g·L - 1 ) - 2 - 进水 8. 08 70. 56 145. 11 43. 00 1 572. 86 429. 13 出水 7. 58 243. 5 388. 07 278. 79 13. 11 9. 36 6. 20 19. 58 203. 57

2

( GB 5749 —2006 ) , 对从表1可以看出 , 纳滤淡化后的苦咸水达到《生活饮用水卫生标准 》

人体 健康不利的 Ca2 + 等二价离子的去除效果非常好 ,去 除率 ≥92 % ,而对人体所需的 N a + 等一价离子的去除率小于70 % , 很 好地 解决了 农 村 安 全 饮 水 的问题。

③

图3说明随着操作压力的增大，纳滤膜技术的脱盐效率逐渐变大，到压力增加到0.5MPa时基本保持稳定，再增加反而会降低。而出水电导率是在较低压力下数值较大。可知，纳滤膜技术可在较低操作压力条件下完成。

（2） 纳滤膜的特性及其优势

众所周知，较高的脱盐率使反渗透成为苦咸水处理及污染水源净化的有效途径 ,但其能耗大 ,制水成本高和浓水利用难的问题却使反渗透系统在苦咸水淡化应用中受到限制 。进而，纳滤膜技术在淡化苦咸水的作用中日益突出，引起了人们的普遍关注。

纳滤 ( N F )在供水领域的作用是脱色 、软化 、部分除盐 ,去除水中有害无机盐，如硫酸盐 、砷 、铬等 ,放射性镭 ,天然有机物与合成有机物 、挥发性有机物 、三致物质 、消毒副产物及其前 体物 ,微生物 、肿瘤病毒等危害人体健康的物质 ,达到饮用水深度净化的目的 。但其去除效果不同于反 渗透 。有关研究资料提供的纳滤和反渗透出水水质。 对比见表 2 表 2 纳滤和反渗透出水水质对比 项目 色度/ 度 U V 254 / cm - 1 3

进水 N F 出水 N F 去除率/ % RO 出水 RO 去除率/ % 0 . 029 0 . 004 861 02 0 . 014 51 . 7 0 . 021 0 100 . 0 0 . 014 33 . 3 4 . 5 2 55 . 5 2 . 5 44 . 4 2 . 0 0 100 . 0 1 . 0 50 . 0 表2说明 ,纳滤和反渗透去除有机物都有较好效果 ,相对而言 ,纳滤去除效果比反渗透略高,纳滤出水有机物含量低于反渗透。目前 ,国内外水源污染的特点是有机污染物增多 ,对此我国自 2005 年开始实施的《城市供水水质标准》和 2007 年开始实施的《生活饮用水卫生标准》对水质要求更高 ,特别是在毒理学指标中有机物由5项增加到53项 ,纳滤膜去除有机物效率高于反渗透膜的特点说明纳滤技术处理苦咸水 、净化微污染水针对性强 ,将会使饮用水在水质方面向高水平发展。 纳滤还是节水节能型膜分离技术，纳滤膜表面带负电 ,在较低压力下仍有较高脱盐性能 ,操作压力一般为 0 .35～1 . 5 M Pa ,相关配套设备所需压力相应较低 ; 纳滤系统原水利用率高达85 % ,而用于饮用水净化的反渗透系统原水利用率一般为 50 % ,最大为 70 % ; 纳滤水处理系统的药剂消耗随进水量的变化而增减 。纳滤膜孔径一般为 1 ～2 nm ,截留相对分子质量在 200～1 000 ,对水中各种分子的截留选择性强 ,可部分除盐 ,传统的纳滤对 特 定 溶 质 如 Ca2 +、Mg2+等有较好的脱盐效果，而这些特定溶质大都是苦咸水的表征离子。它在去除各种有害物质的同时，选择性保留水中人体需要的部分矿物质及微量元素，产品水呈弱碱性。上述情况说明纳滤技术是节电 、节水 、节约药剂型技术 。 纳滤技术的应用解决了反渗透技术在苦咸水处理中浓水排放多 、能耗大 、制水成本高的突出问题 ,给苦咸水淡化 饮用水净化开辟了新的天地 、。 ★3. 纳滤膜技术在苦咸水处理中的不足

纳滤膜的适用温度低、纳滤膜的适用范围有所限制、膜组件的价格以及膜污损等问题也制约了膜分离技术在工业中的大规模应用。

在 膜 的 应 用 过 程 中 产 生 膜 的 污 染 是 很 难 完 全 避 免 的 ， 但是通过对不同的膜污染情况采取相应的措施来减小膜的污染程度是可行的。要从设计、工艺流程到设备选择、运行、膜的 储 运 和 停 机 保 养 等 各 个 环 节 加 以 具 体 分 析 考 虑 ， 确定采取何种方法减小膜的污染，制定维护膜组件与预防膜污染的具体措施，使膜污染减小到最低程度。 ★4. 纳滤膜技术的应用前景

潜在的应( ) N 1 F作为一种新型膜分离技术和分离手段 ,在新型的膜分离过程具有很高的、

用价值 。伴随新的低分子质量中性及电解质溶质分离体系的出现 , N F有望作为重要的膜分离技术应用于水资源的净化、生化工程 ,下游产品的分离精制等领域。

( 2 )膜材料是 N F技术得以广泛应用的关键所在 , 目前国内尚无成功应用的 N F用膜 。N F膜的研究中分离精度的提高是制膜的重要目标 ,另外膜的耐试剂、耐热、耐氧化和抗污染等性能的提高仍有待解决 ,低压高通量也一直是所追求的重要目标之一 。

( 3 )采用 N F膜技术 ,集成工艺的开发和过程优化使 N F膜应用具有广泛的应用前景。

在目前国内淡水资源短缺, 各 类 水 源 水 质 不 断 恶 化 的 形 势 下 提 高 农 村 饮 用 水 的 质 ,为

量 和 安 全性, 促进人民生活健康和社会可持续发 展, 中、低盐度苦咸水的净化越来越受到人们的关注和重视。纳滤膜技术是实现中、低盐度苦咸水转变为饮用 水的最

4

有效技术 术列入,国家已将纳滤膜水处理技 “21 世纪水计划”。纳滤对二价离子和高价 离子有较高 的截留率, 很多有害离子在水中 都存在二价或高价 形 态(如 Mg2 + 、 , 利 用 纳滤 Ni2 + 、Cu2 + 、Mn2 + 、Cd2 + 、Fe2 + 等)膜 这 种 分 离 特 性 可 以 有 效 地 将 它 们 从 苦 咸 水 中 分离去除。采用纳滤制备饮用水, 可 离 子 留 一 部 分 人 体 所 需 的 以 有 效 去 除 水 中 的 有毒 , 保 矿 物 质 直 接 采 用 反 渗 透 更 经 济[7]; 又 可 有 效 除 去 水 中 的 有 机 微 污染, 获得优质安全, 比 的饮用水。

总之 ,纳滤膜分离技术有其独特的优越性 ,作为一 门新兴的、值得瞩目的领域 ,必将有广阔发展前景。

5