納濾膜淡化苦咸水技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展
摘要：本文介紹了苦咸水的危害及淡化方法，以及不同淡化方法的優(yōu)缺點(diǎn)，綜述了納濾的原理及其獨(dú)特的分離特點(diǎn)、影響納濾膜脫鹽效率的因素以及納濾膜在苦咸水淡化中的應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：納濾膜；膜分離；苦咸水
1. 引言
水孕育了生命，是人類賴以生存的最基本的物質(zhì)之一，它還是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是綜合國(guó)力的有機(jī)組成部分。我國(guó)是水資源大國(guó)，同時(shí)也是人均水資源貧國(guó)。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)淡水資源總量約為28000 億立方米，居世界第6位，但人均水資源量只有2300 立方米，世界名列第109 位，是全球13 個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一[1]。此外，在這部分淡水資源中，又有很大一部分是難以利用的洪水徑流和無(wú)法直接飲用的苦咸水、高氟水、高砷水等劣質(zhì)地下水。因此，對(duì)這些劣質(zhì)地下水的開(kāi)發(fā)利用對(duì)解決我國(guó)部分地區(qū)淡水資源緊缺的局面具有重大而深遠(yuǎn)的意義。
在我國(guó)，苦咸水主要分布在北方部分地區(qū)和東部沿海地區(qū)，且部分地區(qū)儲(chǔ)量豐富。在北方干旱內(nèi)陸地區(qū)，由于降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致作為主要供水水源的地下水普遍含鹽量高；在沿海地區(qū)，由于用水過(guò)量、時(shí)間久或地殼變動(dòng)而導(dǎo)致水位低于海平面，海水滲透進(jìn)來(lái)，從而成為苦咸水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約有3800 多萬(wàn)人飲用苦咸水？嘞趟诟锌酀，很難直接飲用，其中的超標(biāo)鹽類和雜質(zhì)對(duì)人體危害很大，如果人們長(zhǎng)期飲用這種高礦化度的苦咸水，會(huì)引起腹瀉、腹脹等消化系統(tǒng)疾病和皮膚過(guò)敏，還可能誘發(fā)腎結(jié)石及各類癌癥，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量和身體健康。此外，苦咸水對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也存在很大危害：在工業(yè)生產(chǎn)方面，由于苦咸水中所含有的各類可溶性無(wú)機(jī)鹽的化學(xué)性質(zhì)都較活躍，那些以水為重要生產(chǎn)原料的化工工業(yè)、飲食工業(yè)、電子工業(yè)等的發(fā)展將受到嚴(yán)重限制；在農(nóng)業(yè)灌溉方面，苦咸水會(huì)使土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)變壞，影響土壤的透氣性能、保水性能，同時(shí)，長(zhǎng)期灌溉苦咸水，會(huì)造成農(nóng)作物不能正常生長(zhǎng)、甚至死亡[2]。
如能把這部分含鹽量高的苦咸水開(kāi)發(fā)利用起來(lái)，既可提高苦咸水地區(qū)居民的生活質(zhì)量，又可補(bǔ)足這些地區(qū)淡水資源匱缺的問(wèn)題。
2. 苦咸水淡化方法
對(duì)苦咸水進(jìn)行脫鹽以滿足生活用水或工業(yè)用水含鹽量要求的過(guò)程稱之為苦咸水淡化[3]？嘞趟姆椒ㄓ性S多種，包括蒸餾法、電滲析法、反滲透法以及納濾技術(shù)等[4][5]。蒸餾法就是把苦咸水加熱使之沸騰蒸發(fā)，再把蒸汽冷凝成淡水的過(guò)程。蒸餾法是最早采用的淡化方法。蒸餾法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、預(yù)處理要求低、水質(zhì)純度高；缺點(diǎn)是能耗高，設(shè)備較笨重，防腐要求高，熱交換器表面易結(jié)垢等[6]。電滲析法是在直流電場(chǎng)的作用下，離子透過(guò)選擇性離子交換膜而遷移，使帶電離子從水溶液和其它不帶電組分中部分分離出來(lái)的一種電化學(xué)分離過(guò)程[7]。其優(yōu)點(diǎn)是藥劑耗量少，環(huán)境污染小，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。缺點(diǎn)是產(chǎn)水率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，對(duì)有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、懸浮物等不帶電荷的物質(zhì)不具有去除能力[8]，因而作為飲用水處理方法不甚理想。
反滲透是利用反滲透膜選擇性的只能通過(guò)溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過(guò)反滲透膜而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離的膜過(guò)程。其優(yōu)點(diǎn)是去除率高，處理過(guò)程無(wú)相變，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高等。缺點(diǎn)是濃水排放量大，能耗及制水成本較高，沒(méi)有保留人體必需的微量元素及礦物質(zhì)[9][10]。這些缺點(diǎn)將制約著反滲透技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用。
近些年來(lái)，納濾(NF)作為一項(xiàng)新興的膜分離技術(shù)正逐漸應(yīng)用于苦咸水淡化，它在最大程度地去除原水中有毒有害物質(zhì)的同時(shí)，保留了適量對(duì)人體有益的微量元素和礦物質(zhì)，因而在飲用水處理中較其它方法更加具有優(yōu)越性。
3. 納濾概述
納濾(nanofiltration)，是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái)的一種新型膜分離技術(shù)。國(guó)外對(duì)納濾膜的研究和應(yīng)用較早，技術(shù)也相對(duì)較成熟，國(guó)內(nèi)對(duì)納濾膜的機(jī)理和應(yīng)用研究起步于20世紀(jì)90 年代，技術(shù)力量相對(duì)較弱[11]。但納濾技術(shù)在飲用水凈化處理，污、廢水排放處理，各種水溶液的濃縮和精制領(lǐng)域的優(yōu)越性已逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。
納濾同反滲透一樣，屬于壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，它借助外界能量或化學(xué)位差的推動(dòng)，通過(guò)膜的滲透作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組分或多組分混合氣體或液體進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集[12]。納濾膜的表層孔徑處于納米級(jí)范圍，且在滲透過(guò)程中截留率大于90%的最小分子直徑約為1nm，因此稱之為納濾膜[13]。納濾膜具有兩個(gè)顯著特征[14]：一個(gè)是其截留分子量介于反滲透膜和超濾膜之間，約為200~2000Daltons，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了反滲透與超濾之間的空白；另一個(gè)是由于納濾膜表面分離層由聚合電解質(zhì)構(gòu)成，對(duì)不同價(jià)態(tài)的離子存在道南(Donnan)效應(yīng)，從而使得它對(duì)無(wú)機(jī)電解質(zhì)具有一定的截留率。
納濾技術(shù)在飲用水處理中具有以下特點(diǎn)：(1)在最大程度地去除原水中有毒有害物質(zhì)的同時(shí)又保留了適量對(duì)人體有益的微量元素和礦物質(zhì)。對(duì)Na+、K+等的截留率僅為10%～80%，而對(duì)Ca2+、Mg2+、SO42-等的截留率均在90%以上。對(duì)有機(jī)物、農(nóng)藥、環(huán)境荷爾蒙類物質(zhì)、砷和重金屬等有害物質(zhì)亦具有良好的去除效果[15]；(2)對(duì)不同價(jià)態(tài)離子的截留效果不同，對(duì)二價(jià)和高價(jià)離子的截留率明顯高于單價(jià)離子。(3)能有效脫除消毒副產(chǎn)物及其前體物，對(duì)三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)和可能的三氯乙醛氫氧化物(CH)的平均截留率分別為97%、94%和86%[16]；(4)納濾膜比反滲透膜所要求的操作壓力要低，一般納濾膜的操作壓力為0.5~1.5MPa，而反滲透膜的操作壓力要比納濾膜高0.5~3.0MPa，此外，納濾的濃水排放較反滲透要少。
4. 影響納濾膜脫鹽效率的因素
影響納濾膜脫鹽效率的因素有很多，如操作壓力、pH 值、離子濃度、溫度等。
4.1 操作壓力
納濾是以壓力為驅(qū)動(dòng)力的膜分離過(guò)程，增大壓力有助于膜通量的提高。膜通量包括水通量和鹽通量，Yamauchi A[17]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：鹽通量與壓力無(wú)直接關(guān)系，只是膜兩側(cè)鹽濃度的函數(shù)。因此，隨著壓力的增大，透過(guò)膜的水量增加而鹽量不變，故脫鹽率增大，但與此同時(shí)，膜兩側(cè)的鹽濃度差增大，濃差極化越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致鹽通量也在增加，使得脫鹽率有降低的趨勢(shì)。這兩方面的共同作用使脫鹽率增加逐漸變緩，最終趨向于一定值[18]。
4.2 pH 值
納濾膜在制造過(guò)程中會(huì)常常讓其表面帶上電荷。pH 值大小的不同不僅會(huì)影響膜表面電荷的性質(zhì)，還會(huì)使料液中某些物質(zhì)的電荷發(fā)生改變，從而使這些物質(zhì)與膜表面電荷相互作用改變而影響膜的脫鹽效率[19]。Mänttäri[20]等用納濾膜處理造紙廠廢水的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，pH 值對(duì)膜截留物質(zhì)的能力的影響較大，增大pH 值可提高膜的截留能力。
4.3 離子濃度
料液中離子濃度的增加會(huì)導(dǎo)致納濾膜濃水側(cè)的滲透壓增大，從而降低有效滲透壓力，使通量下降。離子濃度的增加還會(huì)使膜兩側(cè)濃差極化增大，鹽通量增大，從而脫鹽率降低。此外，隨著鹽濃度的增大，溶液中的反離子的濃度也逐漸增大，膜面上的固定基團(tuán)與同電荷離子之間的電荷效應(yīng)減弱，使脫鹽率下降。Mänttäri[20]等用納濾膜處理造紙廠廢水的實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，鹽濃度的增加降低了通量并使氯化物的截留率降低。姜華等[21]在NE 和HL 納濾膜的無(wú)機(jī)鹽分離實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了納濾膜的脫鹽率隨離子濃度的增大而降低。
4.4 溫度
水是在氫鍵作用下以締合體的形式存在的，這種締合體的大小取決于溫度，并且隨著溫度的升高而變小，此外，溫度升高還會(huì)使水的粘度降低，使水更加容易在壓力作用下透過(guò)膜，從而導(dǎo)致水通量的上升。另一方面，鹽離子同樣以水合離子的形式存在，溫度升高使得水合離子的半徑也減小，便增大了鹽離子的透過(guò)率，使脫鹽率降低[22]。薛輝 [23]在溫度對(duì)離子截留率的影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：溫度對(duì)各種離子的截留率有一定的影響；不同價(jià)位的離子對(duì)水溫的反應(yīng)不同。二價(jià)離子的截留率隨溫度的增加變化不大；一價(jià)離子的截留率變化的總趨勢(shì)是隨溫度的增加而減小。
5. 納濾膜在苦咸水淡化中的應(yīng)用現(xiàn)狀
采用納濾膜制取飲用水在國(guó)外已很普遍。在美國(guó)目前已有超過(guò) 100 萬(wàn)t/d 規(guī)模的納濾膜裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)，其中最大的納濾脫鹽軟化裝置位于美國(guó)佛羅里達(dá)州，日產(chǎn)水量為15.1 萬(wàn)噸(2002年) [24]。在沙特阿拉伯，SWCC 公司功地開(kāi)發(fā)出了納濾作為海水淡化的預(yù)處理技術(shù)，用于脫除硬度和總?cè)芙夤腆w，提高了海水反滲透的操作壓力和系統(tǒng)的回收率，保證了膜組件的運(yùn)行安全[25]。法國(guó)巴黎的Méry-sur-Oise 水廠采用的是納濾膜處理地表水，日處理量1.4×105m3/d，出水水質(zhì)令人滿意[26]。但在我國(guó)，將納濾技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐的條件還不成熟，尚處于嘗試階段，主要問(wèn)題是國(guó)產(chǎn)納濾膜的性能指標(biāo)不夠過(guò)關(guān)。我國(guó)首套工業(yè)化大規(guī)模膜軟化系統(tǒng)——144t/d 納濾膜淡化苦咸水制備飲用水示范工程，由國(guó)家海洋局杭州水處理中心設(shè)計(jì)，于1997 年10 月在山東長(zhǎng)島南隍城建成投產(chǎn)[27][28]。
6. 結(jié)語(yǔ)
納濾膜獨(dú)特的分離性能，使得它在飲用水處理領(lǐng)域的優(yōu)越性已逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，但由于膜成本較高和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足等原因，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域還處于起步階段，隨著研究工作的逐漸深入和實(shí)用化水平的不斷提高，納濾膜淡化苦咸水技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，納濾膜的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊。
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