马振梅MA Zhen-mei；李少宇LI Shao-yu；李泳嫱LI Yong-qiang；李子靖LI Zi-jing

（北京汇天运维技术服务有限责任公司，北京 102400）

0 引言

市面上高品质水处理工艺主要以石英砂、活性炭、树脂软化、过滤、消毒处理为主，其中过滤属于核心工艺。近年来，膜分离技术的快速发展可以较好地满足新的饮用水质标准，在应对水体中存在的众多有机污染物等方面有着更好的应用前景。

根据孔径的不同，膜可细分为反渗透（RO）膜、纳滤（NF）膜、超滤（UF）膜和微滤（MF）膜等，病毒颗粒直径很小，大多介于20～300nm。从孔径上看，超滤膜不足以去除病毒，出水不能完全达到饮用水标准；反渗透膜出水为纯净水，长期饮用不利于健康。纳滤膜不仅可以去除水中残留的微量化学物质（如农药、杀虫剂等）和消毒副产物（三卤甲烷、卤乙酸等），截留水中藻类、细菌及病原微生物以保证生物安全性，去除重金属等有害的多价离子，还能保留水中对人体健康有益的微量元素和矿物质，能够在水源水质波动和应急性条件下保证最终供水水质的稳定，满足不同水源条件下的用水需求。

纳滤膜在高品质饮用水方向主要应用有中空纤维纳滤膜和卷式纳滤膜，本文通过对市面常用两类纳滤膜进行调查研究与试验应用，得出中空纤维纳滤膜和卷式纳滤膜对比分析。

1 过滤机理

人们最早开始研究过滤工艺，认为水流流过滤料，就像沙砾通过晒网一样被截留在外面。所以对于悬浮杂质的去除，理解为筛滤作用。但是事实上，滤料与了滤料的空隙大小一级滤料的孔隙大小都远远大于大多数的悬浮杂质，而且对于粒径大于滤料的悬浮杂质在过滤的初始阶段就会被截留在外，根本不需要深层过滤，只需要最上面一层即可。所以显然，过滤的主要作用不是筛滤，而且过滤的主要对象也不是较大颗粒的悬浮物质。

纳滤过滤两大机理：一是拦截作用，二是电荷作用，纳滤膜本身多带负电，通过对水中胶体产生的排斥作用和道南效应产生的电位差阻碍水中离子通过纳滤膜，同时达到对高低价离子去除的筛分作用。对于较大颗粒过滤主要依靠的是吸附与截留作用，对于较小颗粒的过滤主要依靠电荷作用。但是实际上，过滤具体机理十分复杂，在整个过滤过程中，水流中的悬浮杂质会受到一系列物理作用，其中包括，惯性、拦截、扩散、沉淀和水动力等作用。

1.1 传递机理

在过滤进行的过程中，层流占大多数，水流速度从颗粒表面到空隙中心逐步增加到最大值，于是传递机制必然使悬浮杂质脱离水流流线，最终传递到接近膜而变为较低速度。

过滤进行时，杂质的脱离同时还可能还伴随发生多种其他机理，多种作用力协同达到去除水流中悬浮物。目前只是停留在理论阶段，而对于具体机理和计算有待继续研究。水过滤中传递机理的主要作用有：截留作用、扩散作用、惯性作用、沉淀作用以及水动力作用。

1.2 吸附机理

当水中杂质靠近膜表面时，如同混凝三大机理中电性中和和吸附架桥作用类似，在电动力、分子力等力的共同作用下发生吸附现象。其中主要驱动力包括静电动力、氢键、配位键、范德华力等。当悬浮颗粒十分接近滤料表面时约为0.1 微米时，主要发挥的为分子力，而当悬浮颗粒与滤料距离大于0.1 微米时，带电颗粒之间的其他作用力起主导作用，实际上，带电颗粒的电动力作用最为明显。此外，聚合电解质的应用可以产生架桥机制，从而把悬浮颗粒粘附在滤料颗粒表面。

在相界面上，吸附现象指的就是物质浓度发生自然的浓缩和聚集，分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要为范德华力和电动力作用，主要表面在分子间作用力。分子间力是普遍存在的，任何两两物质之间都不免产生吸引力，所以在任何条件下均可发生吸附。这种吸附过程中同时进行逆过程现象被称为解吸。影响其吸附程度的因素有很多，比如pH 值、环境温度、比表面积等，与表面结构关系不大。化学吸附是由媒介与煤质间化学尖力引起的，吸附剂表面分子与吸附质中的一些分子化合物形成共价键等方式所产生的就是化学吸附，这种化学键的性质也决定化学吸附只能形成单分子层。不仅吸附环境的温度和压力以及吸附剂的表面积大小决定吸附过程的程度，而且也与表面结构密切相关。当吸附剂物质表面上所吸附的吸附质浓度不再发生变化，则说明其对于所吸收分子的速度与脱离的速度几乎平衡，此时溶液中吸附质的浓度就称为平衡浓度。

1.3 道南效应

道南效应也就是道南模型，是指电解质在半透膜两边的化学势相等，若膜的一侧有某种符号（正或负）的非扩散性离子，则同号的扩散性离子在该侧的浓度较另一侧小。作为纳滤过滤区分一、二价离子主要因素之一，是基于电子电荷效应脱盐的过程，用来描述纳滤膜脱盐的过程。纳滤膜多为电荷膜，如果利用纳滤膜对含有一价和多价离子进行脱盐试验，会发现其对于不同价态离子去除效果差异较大，能够实现对高价有害离子去除的同时保留有益的一价钠、钾等离子，如图1 所示。

1.4 浓差极化

浓差极化是指分离过程中，料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质（离子或不同分子量溶质）被截留，在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过通量下降。卷式纳滤膜随着使用时间的增加，浓差极化现象严重，极大降低膜的水通量，而中空纤维纳滤膜则可以更好克服浓差极化现象，运行压力较低，水通量稳定。

2 应用现状

2.1 纳滤膜分类

纳滤膜共分为中空纤维纳滤膜、卷式纳滤膜、管式纳滤膜以及板式纳滤膜，如图2 所示，其中中空纤维纳滤膜、卷式纳滤膜，管式纳滤膜以及板式纳滤膜各有优劣。

中空纤维和卷式膜组件的填充密度高，造价低，组件内流体力学条件好；但是这两种膜组件的制造技术要求高，密封困难，使用中抗污染能力差，对料液预处理要求高，主要应用于高品质饮用水方向。

板框式和管式膜组件虽然清洗方便、耐污染，但膜的填充密度低、属于死端过滤，主要应用于市政水处理方向。

2.2 常用中空纤维纳滤膜和卷式纳滤膜参数

市场上纳滤膜主要有两种型号，一种4 寸4040，一种8寸8040，选用五个纳滤膜生产厂家在高品质饮用水方向的主要产品，分别对其压力、废水率、水通量、1 价离子去除率及2 价离子去除率及价格方面进行统计试验，如表1 所示。

表1 常用中空纤维纳滤膜和卷式纳滤膜参数

我们发现应用较多的主要几家纳滤膜生产厂家的参数对比情况，大体上差异不大，说明目前对纳滤技术的研发与认识逐步成熟。

3 技术对比

3.1 纳滤膜材料

纳滤膜材料同样以两大类为主，芳香族聚酰胺类及聚醚砜类。芳香族聚酰胺类材料形似尼龙材料，耐受性好，亲水性能好，但是较为柔软，单独成膜不稳定，常搭配聚醚砜类材质提供支架结构形成复合型膜。聚醚砜类结构稳定结实，孔径较大，孔隙率大，在精度上稍有欠缺。

3.2 运行压力与废水率

如图3 所示，过滤压力属可调参数，一定压力范围内，压力越大水通量越大，电耗越大，在额定工作压力下，中空纤维纳滤膜运行压力要明显低于卷式纳滤，主要在于其结构形式可有效克服浓差极化，减少水头损失。二者废水率范围保持在5%-25%，远低于反渗透50%。

3.3 去除率

纳滤膜孔径多为1-2nm，电荷作用发挥主导作用。纳滤过滤两大机理：一是拦截作用，二是电荷作用，纳滤膜本身多带负电，通过对水中胶体产生的排斥作用和道南效应产生的电位差阻碍水中离子通过纳滤膜，同时达到对高低价离子去除的筛分作用。

中空纤维纳滤，对于Na+、Mg2+离子去除率具有更明显区分度，离子价越高，产生电位差阻力越大，越容易去除；离子价越低，产生电位差阻力越小，越难去除，发挥过滤电荷作用原理更加充分。

4 优缺点分析

4.1 中空纤维纳滤膜

中空纤维纳滤膜材质有两种，具体如表2 所示。

表2 中空纤维纳滤膜优缺点

4.2 卷式纳滤膜

卷式纳滤以芳香族聚酰胺材料为主，具有应用广泛、技术成熟、前期过滤效果好，卷式成膜容易、稳定等优点，但是清洗困难，存在死角，尤其中间支撑层难清洗，同时存在浓差极化现象，卷式形态容易影响出水量。

5 总结

①纳滤技术较反渗透技术在生活饮用水上应用具有一定优势，主要的纳滤膜有中空纤维纳滤膜和卷式纳滤膜。中空纤维纳滤膜，技术新颖，较卷式纳滤膜技术相比具有一定优势，但目前应用较少；卷式纳滤膜，价格较低，应用成熟广泛，但也存在过滤弊端。②高品质饮用水纳滤膜特性，最直接体现应为出水水通量高、总有机碳低、浊度低、总除盐率高、对于高低价离子的去除具有一定区分度。③卷式纳滤膜装置需高压产水、死端过滤、水通量低、废水排放量高、耗能高；卷式纳滤膜耐压力但不耐污染，死端过滤，产生废水量大，存在二次污染的风险。频繁换芯导致设备造价高和运行成本高。中空纤维纳滤膜在低压下具有较高通量，对单价、多价离子选择性分离程度较高，具有较低废水率，充分响应国家节约用水号召，同时运行过程中的实际能耗和成本远低于反渗透膜和卷式纳滤膜。④整体纳滤膜厂家膜参数差异并不大，前期出水基本都可达标，单一参数分析并不能完全反应问题，还应结合考虑纳滤膜后期使用情况综合评价。