纳滤技术在饮用水处理中的应用

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，生活污水和工业废水的排放给饮用水水源带来了污染。此外，突发水污染事件的发生，导致饮用水资源供需矛盾加剧。饮用水安全问题日益严重，人们越来越重视饮用水安全问题。在2006年饮用水卫生标准(gb 5749-2006)中，水质指标从35提高到106。自2018年10月1日起，上海市实施首个地方饮用水标准——饮用水质量标准(db31/t 1091-2018)。这些政策法规的颁布，对水污染的防治、饮用水安全的保护和饮用水质量的提高，具有积极而深远的影响。

在水源普遍受到污染，水质要求不断提高的情况下，我国传统的饮用水处理工艺难以完全满足混凝沉淀 - 过滤 - 消毒工艺和臭氧的饮用水水质要求。活性炭技术。近年来，膜分离技术的快速发展可以更好地满足新的饮用水水质标准，在处理水中的多种有机污染物方面具有更好的应用前景。本文对膜分离技术进行了分析和比较。综述了纳滤技术在饮用水处理中的研究现状。讨论了纳滤膜处理饮用水技术中存在的问题。展望了纳滤技术的未来应用。发展方向。

膜分离技术常用于饮用水深度处理，具有出水水质稳定、操作简单等优点。膜分离技术根据孔径大小可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透，如表1所示。与超滤和反渗透相比，纳滤膜技术的发展相对滞后。纳滤膜的孔径约为1nm，介于反渗透膜和超滤膜之间。纳滤膜的分子量为200-1000 Da，操作压力主要为0.3-1 MPa。纳滤膜具有很强的选择性和分离能力，可以去除消毒副产物、有机污染物和多价离子，降低水的硬度。超滤膜孔径较大，对金属离子和小分子有机物的去除能力小。纳滤和反渗透对不同的有机物有较好的处理效果，但纳滤的操作压力低于反渗透，纳滤膜净化后的出水中可保留一些有益元素，因此纳滤比反渗透具有更广阔的应用前景。超滤和反渗透。

1纳滤技术在饮用水处理中的应用

纳滤技术可以去除对人体有益的微量矿物质，如悬浮固体，胶体，微量有机物等。近年来，它已被广泛用于饮用水的深度处理。膜水净化过程如图1所示。

1.1 纳滤膜分离机理

纳滤膜的孔径一般为1纳米左右。分离原理如图2所示。在一定的压力作用下，在压差作用下，分子量小于200的小分子、单价离子和水通过纳米多孔膜，分子量在200到2000之间的有机物和多价离子被阻断。D由膜实现分离。目前，人们认为纳滤主要通过电荷作用和筛选作用两种机制来分离溶质。电荷相互作用通常被称为“唐南效应”。纳滤膜表面主要为负电荷，能吸附溶液中的正电荷离子。溶液中带负电荷的离子将从膜表面排除。这种效应被称为唐南效应。筛选效果主要是根据膜孔的大小和溶液中不同溶质颗粒的大小进行截留。由于纳滤膜表面带电，所以纳滤膜的分离机理不同于超滤和反渗透。由于不同的操作参数对分离过程的影响，很难简单地将纳滤膜的分离机理定义为筛选和斗南效应。

1.2清除无机物

在大多数农业区，原水中硝酸盐和亚硝酸盐的含量超过了安全标准，转化为亚硝胺是一种致癌风险。过量的硝酸盐和亚硝酸盐会影响饮用水处理。麦正军等人发现，中国西北部的地下水不适合直接饮用。该地下水中无机盐(主要是硫酸盐、硝酸盐、硬度等)的含量一般超过。在这方面，他们制备了类似于地下水的无机盐溶液，并比较了两种常用膜对市场的过滤效果。结果表明，两种膜对SO42-的去除率均在97%以上，去除效果显着。 F-的平均去除率分别为73%和95%。此外，还研究了纳滤膜在不同进水流量和运行压力下的截留效果。结果表明，二者对纳滤膜的脱盐效果不同。采用侯立安等微滤活性炭和纳米滤过法，研究了纳米滤过膜对无机物质的拦截作用。研究结果表明，ts40纳米滤膜能去除无机离子。移除阳离子的能力为：ca2+>mg2+>na+>k+;，移除阴离子的能力为：so42>cl->no3-。砷是一种强致癌物质。在中国的一些地区，砷严重超标，纳滤膜对饮用水中的砷具有良好的去除效果。王晓伟等比较了不同压力条件下膜过滤、反渗透和纳滤对砷的去除效果。研究发现，当原水中砷浓度低于200ug/L时，纳滤可以去除90%以上的五价砷。但是，在不同的酸碱度下，纳滤膜对砷的截留率有很大的差异。过量的f-in饮用水会损害人体健康，cl-，so42-会影响饮用的味道，而Jing Shuangyi则比较了直接用纳米滤膜处理的水中f-，cl-，so42-的含量。平均去除率在62以上，均符合饮用水卫生指标。

1.3去除有机物

饮用水消毒过程中产生三卤甲烷(thms)、卤乙酸(haas)、溴酸盐等消毒副产物。纳米滤膜去除消毒副产物，主要是通过拦截前体来降低消毒副产物的浓度。研究发现，纳滤膜对THMs的去除率可达90%以上。朱学武等人研究了高有机质、溶解有机盐的南寺湖。比较了两种纳滤膜。两种膜的截留结果不同。然而，codmn、uv 254和医生的浓度都可以分别降低到0.7毫克/升、0.006厘米/升和1.5毫克/升，远低于水质标准。并发现有机物的去除率，电导率，TDS，DOC等均达到90%以上。这样可以控制有机物的浓度，在后续过程中有效降低消毒剂的用量，大大降低消毒副产品的风险。同时，近年来，饮用水中内分泌干扰物和微囊的浓度逐渐升高，在饮用水处理中也能有效去除纳米滤膜。魏宏斌等了解到，传统工艺对环境内分泌干扰物阿特拉津的去除效果不佳，而纳滤膜处理工艺可以将原水中阿特拉津的浓度处理为20~226μg/ L。浓度。 0~4.7μg/ L，平均去除率为90%~92%。程爱华研究发现，纳滤能有效截留和去除五氯酚、雌二醇、雌三醇等内分泌干扰物质。

1.4 膜污染和膜清洗

通过以上的讨论和分析，不难得出纳米滤膜技术有其自身的分离特性，可以获得理想的处理效果。然而，在具体的操作过程中也存在缺陷。膜污染是膜污染问题的典型代表。膜污染是溶液中的颗粒、大分子物质和膜在膜处理过程中发生物理和化学作用的现象。膜孔吸附或沉积在膜表面或膜孔上，使膜孔越来越小或堵塞。同时，工作压力变大。减少膜通量。主要包括有机污染、无机污染、胶体颗粒污染和生物污染。在实际处理项目中，几种污染往往相互交织，同时发生。

丰桂珍选择了青草沙水库和太湖的DOM，研究了两种纳滤膜(HL，ESNA1-K)引起的膜污染和纳滤膜对卡马西平(CBZ)性能的影响。 。测量污染前后纳滤膜的特性：膜的通量变化，粗糙度，接触角和扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)。结果表明，草沙DOM和太湖DOM均对两种薄膜的性能有影响。污染前后纳滤膜的表面形态如图3所示.DOM吸附在纳滤膜表面形成污染的滤饼层，进入膜孔，导致膜孔堵塞，导致膜通量显着降低。 ESNA1-K薄膜的粗糙表面(粗糙度55.076mm)(图3(d))比HL薄膜(粗糙度5.876mm)更平滑(图3(a))。对应于图3(e，f)，图3(b，c))。接触角反映了膜表面的亲水性。在DOM污染后，ESNA1-K膜的接触角小于清洁膜的接触角。 HL膜的接触角大于清洁膜的接触角，这与纳滤膜本身有关。与特征有关。

在研究DOM膜污染对CBZ截留性能影响的实验中，虽然纳滤膜受到不同程度的污染，但DOM膜污染并没有盲目降低CBZ的去除率。结果表明：当浓度极化作用于太湖DOM膜污染时，出水中的CBZ浓度升高，去除率降低;当泥饼层和CBZ吸附和MWCO还原作用大于浓度极化时，CBZ去除率升高。放松了。在膜污染对去除微量有机物影响的研究中，Nghiem等人也取得了相似的结果。

为了应对膜污染，膜清洗是除材料预处理和选择具有较强防污能力的薄膜外的必要手段。膜清洗包括物理清洗和化学清洗。物理清洗主要包括液压方法和气-液脉冲，用于去除吸附在膜表面和膜孔上的污染物，适用于最初被膜污染的膜。当膜受到严重污染时，物理方法无法使膜恢复到最初的通量，化学方法可以有效减少或消除膜污染。常见的化学清洗包括：酸洗、碱性清洗、保护液体浸泡、氧化剂清洗和酶清洗。在膜清洗中，应结合不同污染物和膜污染类型，有效延长膜寿命。

在聚合物驱废水的特定水质张瑞君等中，通过实验确定最佳清洗剂，先用碱性复合清洗剂洗涤，然后酸洗(用pH = 2的HCl溶液)。洗涤后纳滤膜的脱盐率达到87.62%，略高于新膜(86.21%)，非常接近。从清洁之前和之后的AFM图可以看出膜上的污染的滤饼层已经被去除并且表面结构与新膜的表面结构相当。通过测试清洗前后纳滤膜的脱盐率，原子力显微镜，亲水性，红外光谱等指标，可以得到一种合适的膜清洗方案，可以有效去除膜上的污染物，几乎不会破坏膜的性能。

选择合理有效的预处理工艺，优化工艺设计，选择正确有效的膜清洗工艺，可以有效地防止和减少膜污染。另外，纳滤膜在饮用水处理过程中不能完全去除有机物，只能通过物理截留，在膜运行过程中会产生大量的浓缩水，约占产水量的20%。英联邦。这些物质含有调节PH值的酸和碱、阻垢剂和残留的无机有机物。同时，在膜清洗过程中会产生一些被污染的清洗水。如果将浓水和净化水直接排放到天然水中，将会对水和土壤造成污染，这仍然是纳滤膜技术发展中值得研究和解决的问题。

2 纳滤技术的发展方向

2.1新膜材料的研究

膜材料是膜分离技术的核心。为了解决膜过滤问题以及纳滤膜的渗透性和选择性，可以进一步研究纳滤膜材料，开发出新的纳滤膜材料，以解决上述问题。近年来，随着材料科学的快速发展和纳滤传质机理的深入研究，各种高性能材料已被用于制备高性能纳滤膜。目前，主要的高性能纳滤膜包括新型有机纳滤膜，新型无机纳滤膜和新型有机 - 无机杂化纳滤膜材料。有机聚合物膜主要包括聚酰胺，天然高分子聚合物(包括壳聚糖，醋酸纤维素)等，但这种纳滤膜在耐污染性和耐氯性方面存在缺陷;无机纳滤膜材料主要包括陶瓷膜，金属膜和分子筛膜。由于它们易于清洁，因此可以解决有机纳滤膜耐氯性差的问题。缺点是它们很容易破碎。

有机-无机杂化纳滤膜具有耐氯、耐污染、分离性能好和高通量等优点。Mahdie Safarpour等人通过将聚醚砜(PES)与氧化石墨烯(RGO)/二氧化钛纳米复合材料混合制备纳米过滤膜。研究了不同配比的复合纳滤膜的形貌和性能。结果表明，裸膜过滤90分钟时，裸膜的BSA通量分别为15.6、21.6、26.5 kg/(m2.h)和29.1 kg/(m2.h)，纳滤膜的污染性能分别为通量回收率(frr)、总标度(r)和总标度(r)。比较了酸盐(RT)、可逆污染速率(RR)和膜的必要性。根据反相结垢率(RIR)值，RGO/二氧化钛/PES的防垢性能最好。因此，与裸PES相比，复合纳滤膜具有更高的透水性和抗污染性。”职瑞“等制备了双分离层复合纳滤膜。该膜具有较好的亲水性和抗污染能力。在0.8Mpa压力下，NaCl一价离子的去除率(88.4%)高于普通纳滤膜(71.59%)。

为了减少膜表面的微生物污染，制备具有抗菌活性的纳米滤膜可以有效抑制膜表面生物膜的形成，从而提高膜的使用寿命。ozay y等人通过相变将合成铜纳米颗粒(cunps)分散在pes铸液中，制备不对称铜纳米颗粒聚醚砜(cunp/pes)复合膜，并测试了不同的cunps浓度(0,0.25 w/w楔形物和0.50

2.2使用模拟软件

在实际处理过程中，由于水质条件的不同，净水工艺也不同，纳滤处理效果也有很大的不同。利用适当的理论模型和数值模拟方法，可以有效地描述渗透通量衰减和膜污染的机理，从而预测渗透通量随物理量的变化，为理论研究和实际应用提供指导。l生产。研究人员可以率先“在计算机上做实验”，模拟纳滤水净化过程。计算机模拟结果可以预测后续治疗。仿真还具有减少实验工作量和成本的优点。同时，可以添加不同的膜材料或复合膜材料来研究处理效果。它能有效地拓宽薄膜的类型和应用范围。

王钊是基于有限元模拟方法，利用模拟软件Comsol多物理平台，利用dspm(Donnan特殊模型)、cp-dspm、dspm&de、pptm等模型，研究了纳米滤膜渗透通量与离子截获率的关系，并进行了比较分析。改进后的模型可以更合理地描述纳米滤膜的纳米滤光过程。为纳米滤膜材料的制备和表征以及纳米滤膜操作参数的设计提供了依据。

3 结论与展望

纳滤技术填补了反渗透和超滤的空白，有效保留了小分子量有机物并保留了有益的无机盐。此外，纳滤技术具有操作压力低，膜通量大，出水水质稳定，安全性高，操作简便等优点。在饮用水处理或直饮水供应方面，纳滤技术可用于一次供水，二次供水和供水端等，具有广阔的前景和较大的市场规模。然而，在实际应用中，它还面临膜污染的问题。

针对膜污染问题，研究分析了膜污染的机理及造成膜污染的主要因素。根据不同水质特征的原水选择不同的膜材料，选择适当的原水预处理方法，定期对膜表面和内壁进行反冲洗，去除污染物。同时，为解决现有纳滤技术的瓶颈，开发新型复合纳滤膜是未来研究的方向。模拟软件也可用于纳滤分离过程的模拟，为实际分离过程提供理论依据和指导。饮用水处理技术将继续优化，以满足时代的需要。随着纳滤技术的不断发展和完善，纳滤技术将成为最有潜力的饮用水生产技术之一。