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，綜述了納濾的原理及其獨(dú)特的分離特點、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，是綜合國力的有機(jī)組成部分。我國是水資源大國，同時也是人均水資源貧國。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國淡水資源總量約為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 個人均水資源最貧乏的國家之一[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，對這些劣質(zhì)地下水的開發(fā)利用對解決我國部分地區(qū)淡水資源緊缺的局面具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

在我國，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)，由于用水過量、時間久或地殼變動而導(dǎo)致水位低于海平面，海水滲透進(jìn)來，從而成為苦咸水。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國約有3800 多萬人飲用苦咸水?？嘞趟诟锌酀?，很難直接飲用，其中的超標(biāo)鹽類和雜質(zhì)對人體危害很大，如果人們長期飲用這種高礦化度的苦咸水，會引起腹瀉、腹脹等消化系統(tǒng)疾病和皮膚過敏，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，長期灌溉苦咸水，會造成農(nóng)作物不能正常生長、甚至死亡[2]。

如能把這部分含鹽量高的苦咸水開發(fā)利用起來，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)淡水資源匱缺的問題。

2. 苦咸水淡化方法

對苦咸水進(jìn)行脫鹽以滿足生活用水或工業(yè)用水含鹽量要求的過程稱之為苦咸水淡化[3]。苦咸水淡化的方法有許多種，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程。蒸餾法是最早采用的淡化方法。蒸餾法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、預(yù)處理要求低、水質(zhì)純度高；缺點是能耗高，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的作用下，離子透過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的一種電化學(xué)分離過程[7]。其優(yōu)點是藥劑耗量少，環(huán)境污染小，操作方便，易于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化。缺點是產(chǎn)水率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，對有機(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)靜壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實現(xiàn)對物質(zhì)進(jìn)行分離的膜過程。其優(yōu)點是去除率高，處理過程無相變，操作簡單，自動化程度高等。缺點是濃水排放量大，能耗及制水成本較高，沒有保留人體必需的微量元素及礦物質(zhì)[9][10]。這些缺點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，納濾(NF)作為一項新興的膜分離技術(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，保留了適量對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)展起來的一種新型膜分離技術(shù)。國外對納濾膜的研究和應(yīng)用較早，技術(shù)也相對較成熟，國內(nèi)對納濾膜的機(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。

納濾同反滲透一樣，屬于壓力驅(qū)動膜分離過程，它借助外界能量或化學(xué)位差的推動，通過膜的滲透作用，從而實現(xiàn)對兩組分或多組分混合氣體或液體進(jìn)行分離、分級、提純和富集[12]。納濾膜的表層孔徑處于納米級范圍，且在滲透過程中截留率大于90%的最小分子直徑約為1nm，因此稱之為納濾膜[13]。納濾膜具有兩個顯著特征[14]：一個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；另一個是由于納濾膜表面分離層由聚合電解質(zhì)構(gòu)成，對不同價態(tài)的離子存在道南(Donnan)效應(yīng)，從而使得它對無機(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：(1)在最大程度地去除原水中有毒有害物質(zhì)的同時又保留了適量對人體有益的微量元素和礦物質(zhì)。對Na+、K+等的截留率僅為10%～80%，而對Ca2+、Mg2+、SO42-等的截留率均在90%以上。對有機(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)對不同價態(tài)離子的截留效果不同，對二價和高價離子的截留率明顯高于單價離子。(3)能有效脫除消毒副產(chǎn)物及其前體物，對三鹵甲烷(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)動力的膜分離過程，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]等人通過實驗得出：鹽通量與壓力無直接關(guān)系，只是膜兩側(cè)鹽濃度的函數(shù)。因此，隨著壓力的增大，透過膜的水量增加而鹽量不變，故脫鹽率增大，但與此同時，膜兩側(cè)的鹽濃度差增大，濃差極化越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致鹽通量也在增加，使得脫鹽率有降低的趨勢。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

納濾膜在制造過程中會常常讓其表面帶上電荷。pH 值大小的不同不僅會影響膜表面電荷的性質(zhì)，還會使料液中某些物質(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驗中發(fā)現(xiàn)，pH 值對膜截留物質(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驗中還發(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 納濾膜的無機(jī)鹽分離實驗中也證實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，溫度升高還會使水的粘度降低，使水更加容易在壓力作用下透過膜，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率，使脫鹽率降低[22]。薛輝 [23]在溫度對離子截留率的影響實驗中發(fā)現(xiàn)：溫度對各種離子的截留率有一定的影響；不同價位的離子對水溫的反應(yīng)不同。二價離子的截留率隨溫度的增加變化不大；一價離子的截留率變化的總趨勢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外已很普遍。在美國目前已有超過 100 萬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佛羅里達(dá)州，日產(chǎn)水量為15.1 萬噸(2002年) [24]。在沙特阿拉伯，SWCC 公司功地開發(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，將納濾技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程實踐的條件還不成熟，尚處于嘗試階段，主要問題是國產(chǎn)納濾膜的性能指標(biāo)不夠過關(guān)。我國首套工業(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，由國家海洋局杭州水處理中心設(shè)計，于1997 年10 月在山東長島南隍城建成投產(chǎn)[27][28]。

6. 結(jié)語

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，但由于膜成本較高和應(yīng)用經(jīng)驗不足等原因，國內(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用化水平的不斷提高，納濾膜淡化苦咸水技術(shù)將會得到進(jìn)一步發(fā)展，納濾膜的應(yīng)用前景將會更加廣闊。

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