纳滤膜技术的发展及其应用前景

1、纳滤膜技木的发展及其应用前景国家海洋局杭州水处理中心刘玉荣陈一鸣洪勇琦摘要：本文简略介绍了纳滤膜的特性纳滤膜与反渗透膜、超滤膜的区别和联系，重点介绍了纳滤膜技术的国内外发展概况及其应用前景。1前言纳滤膜是在反渗透膜的基础上开发出来的，在20世纪90年代之前称它为低压反渗透膜或疏松的反渗透膜。此后，高从堵院士等在全国膜学术交流会上介绍了国内外纳滤膜技术的进展，从此，纳滤技术在国内迅速发展。纳滤膜孔径范围在纳米级，截留分子通常是1001000之间的物质，是一种介于反渗透和超滤之间的膜过程。它具有膜技术共同的高效节能特点，是近年来世界各国优先发展的膜技术之一。纳滤膜能截留高价盐而透过单价盐，能截留分

2、子量较大的有机物而使小分子有机物透过膜。它的分离特性是反渗透膜和超滤膜无法取代的，反渗透膜几乎对所有的溶质都有很高的截留率，超滤膜只能截留大分子物质，纳滤膜只能对特定溶质有很高的截留率，它还具有反渗透、超滤技术的共同性，所以应用十分广泛。纳滤技术已在水的软化、溶液脱色、染料除盐浓缩和生化物质纯化浓缩中产生了一定的经济效益和社会效益。根据我国国民经济发展的需要和纳滤技术所显示的液体分离独特作用和良好的经济效益前景，开发不同膜材料的纳滤膜和不同应用领域的纳滤分离工艺，使我国不仅有纳滤膜产品及其装置，也有纳滤技术产业基础，建立我国自己的纳滤膜工业，这样既可推动有关材料开发技术、膜制造技术、组器工艺及

3、成套技术，又可推动有关材料开发技术、膜制造技术、组器工艺及成套技术，又可推动相关领域中生产工艺的革新，产品质量的提高和新产品的开发，这对于全面提高我国的技术水平，促进膜技术产业化、规模化的发展，加快相关产业技术进步，都将产生极其深远的影响。2国内外纳滤膜技术的发展概况21国外进展概况20世纪80年代开始，美国Filmtee公司相继开发出NF-40、NF-50、NF-70、NF-90等型号的纳滤膜。由于市场广阔，世界各国纷纷立项，许多公司如美国的Osmonlcs公司、海德能公司、Fluid Systerns公司、日本的东丽公司、日东电工公司等，都组织力量投入到开发纳滤技术的领域中。纳滤膜的品种不

4、断增加，性能不断提高。膜材料有醋酸纤维素系列、芳香族聚酰胺、磺化聚醚砜等。膜的品种已经系列化，膜的分离性能从对NaCl5-10一直到90，纳滤的应用也不断增加，1996年9月54美国国立研究所曾以问卷调查方式统计了美国大型饮用水脱盐装置的状况。调查发表了美国21个州中以饮用水为目的的179家脱盐水厂的数据，调查结果表明这些装置总的产水能力为140万吨日，各种脱盐方法在总装置产水能力中所占比重分别为：苦咸水反渗透47，纳滤膜软化31，倒极电渗析13。海水淡化8。值得注意的是，纳滤膜软化的增长速度最快，从1992年到1996年的4年中，纳滤膜软化装置增加500，大大高于其他方法。主要原因是：纳滤膜

5、不仅可以在低压下对水源软化和适度除盐，而且还可除去三卤甲烷生成的中间体(THMFP加氯消毒时的附产物，为致癌物质)、色度、细菌、病毒、农药、异味、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物质，因而日益受到青睬。该调查还对各种除盐方法的经济成本进行了统计比较，不论是一次性设备投资还是运行和维修费比较，均是以纳滤膜软化为最低，因此，纳滤膜的品种和数量不断增加，表1为部分商用纳滤膜型号及其性能。表l国外部分商用纳滤膜殛其性能膜组件的形式近年来也呈现出多样化的趋势，除了传统的中空纤维式、卷式、管式及板框式以外，叉开发出回转平膜式、浸渍平膜式等。工业上应用最多的是卷式膜装置纳滤膜最大的脱盐软化工程在美国佛罗里达州，日产

6、水量为38万吨。表2和表3分别为美国和日本8”卷式元件的性能。55u!I鬻：善：旨：导ig_2*pI；臣vds!旨器&n；旨詈：三：导寻d一舀一寸二呐、。誊雾昌詈：三旨：导寻葛三：蚤ivd昌三詈羚：圣i高叶vd誊昌三：蜀：圣i爿寸器誉詈旨：旨；kz山誊蚤导g苫高三An一事。白一彗看II褂篮基峰艘林瞄趟鬻磊蛊k州可栅一僻苫u山u舞誉苫，蜀三昏n宝-斟菩三：旨：导 口。寸H口山净山o；：目喜INs固vd唧卜求盘暑蜀是容器掣：三：器：喜：豁一昌至苫：导号雳苫基望昌8导8星譬童喜：巨董：I巨_【譬z一u寓 tos昱= 0一z占巴|IzNoIs醯门砬窿琳舞糖糖船氍章憾。苫髓弹值嚣R出 Z4 毯赠R坦恒嘣

7、 趟嚏惺堪 II厶匠耙峰葵鹫蛔*扎靶搬檀蘑圃耀旺掣56崔暑暑u导2景雾A&A器：蜀三冷：l1vd岫誉晷雾l 器 66零_o o n口 旨一寸 ，0一一盏2一嚏*8nvd譬昏a66盆凸西n口曷，一n口旨一_导noo一一一导n小口，66ono一nn，n口668I一，o叶o”口一叶导西NoI=寸a器，n 8INoo一n口旨on06一导 一一No零卜山菸篓 n小nnn一oo_【寸口旨on一06)|导一一NI工z山导器星誉n_【卜裔盘美譬一oo一n口旨on导，一Z卜一o)Iz宙口2音zH硼*皿。旨卜d8离蜜蜜昌导；写雩夏害 。口NooHn器on06一o，褂韭翟世健轼隧罄糟嚣雹扎州幡皿n群山s!宝蜜器霜昌

8、旨2&直A口nnIoo_n口旨on06一导kII饥N卜栅巾永寮苌虽宴昌8导8 o一N葛一暑一一术一一毒苫一一，)| p)|一击苫。一p一犍zJ喘窖占=o们fN)d占znoztHztoIs磕f2砬睦咪舞裙壤鞭糕章惺耄 瑙瑶艋霹 R坦 II厶 燃嚼 R出恒嚼 趟赠惺略 王厶匠靶恒葚避一术一醉鹾婆嵝瓣嘲*k棼妊拦磊毯嗫莒襁螨蕞柱遥轻霍伞辐趟赠匠掣惶嚼f将蝌斯镒镪vu。匿舔：I搭。sds。盐瑷f2臻。Ad。餐程砾。vd。趟镒磔辎扭椒州誉杈”山q蜒嚣餐砸耀匠璐5722国内纳滤膜的进展概况我国从20世纪80年代后期就开始了纳滤膜的研制，到90年代研究的单位不断增加，各单位已在膜材料的选择和制膜工艺以及纳滤

9、膜的应用技术方面，都积累了一定的经验，为深人研究和应用打下了坚实的基础。近几年，各单位先后研究开发了数种纳滤膜，已能投人工业化生产的膜和装置，有醋酸纤维素系列的平板膜及卷式装置、三醋酸纤维素中空纤维膜及中空装置，还有芳香聚酰胺复合膜、磺化聚醚砜涂层复合膜、聚乙醚酮纳滤膜和其他荷电材料的纳滤膜等。目前，这些膜大部分已形成产业化，有的已接近国际同类产品的水平，有的还有些差距。表4国产纳滤膜及其元件与国外同类产品的性能比较8040PBLN国营8271厂5043814500NaCI和Mgs04膜材质APA9643814各占50NF-4040 APA国家海洋局杭州297425O，522000NaclH2

10、0水处理中心9064252000MgS04一H204040NPI APA中国科学院大连3040150lr02 000NaCl一H20物理化学研究所9095150102C00MgS04一tt204040HW4-1中国科学院上海962截留分子量为膜材质PEK原子核研究所600注：(1)参考文献4不包括NF4040，APA。(2)APA：芳香聚酰胺；PEK：聚乙醚酮。58表4是国产醋酸纤维素纳滤膜及其元件与国外同类产品的性能对比。表5是其他材料的国产纳滤膜组件性能。3纳滤膜技术的应用前景纳滤技术产业化，推向市场，可形成一个新的水处理技术分支，在全国数量巨大的低压锅炉水质软化、油水深度分离、中低分子量

11、物质的纯化、浓缩及废水处理等领域都有极好的推广应用前景，分别简述如下。31硬水软化对苦咸水进行软化，除盐是纳滤膜应用的最大市场。中国内陆地区缺水严重，但地下蕴芷着大量的苦咸水，沿海岛屿也是如此，对这些地区用纳滤膜除盐软化是非常需要的。为此，我们采用卷式纳滤膜装置在山东长岛建成了日产140吨的苦咸水软化示范工程。产水符合国家饮水标准，每吨水耗电量143度，深受岛上军民的欢迎。另外，在浙江嵊泗岛也安装了一小套中空纤维纳滤装置，日产水量24吨，效果也较满意。国外有多套日产万吨级的纳滤软化装置都在正常运行中。32饮用水中有害物质的脱除传统的饮用水处理主要通过絮凝、沉降、砂滤和加氯消毒来去除水中的悬浮物

12、和细菌，而对各种溶解性化学物质的脱除作用很低。随着水资源的贫乏，环境污染的加剧和各国饮用水标准的提高，可脱除各种有机物和有害化学物质的“饮用水深度处理技术”日益受到人们的重视。目前深度处理的方法主要有活性炭吸附、臭氧处理和膜处理。膜分离中的微滤(MF)和超滤(UF)因不能脱除各种低分子物质，故单独使用时不能称之为深度处理。纳滤膜由于本身的性能特点，十分适用于此方面的应用，纳滤技术是以脱除砂滤法不能脱除的溶解性微量有机污染物为目的的饮用水深度净化系统。实践表明，纳滤膜可用于脱除河水及地下水中含有的有害物质是十分有效的。33中水、废水处理中水一般指将大型建筑物(宾馆、写字楼、商场)中排出的生活污水

13、处理后用厕所冲洗等非饮水再利用水，在中水领域的膜应用，日本做了很多工作。纳滤膜在各种工业废水中的应用也有很多实例，如造纸漂白废水的处理等。对于生活污水，纳滤膜与生物处理法(如活性污泥法)相结合也已进入实用阶段。34制药工业不少药品在生产过程中带进了无机盐，生产厂家为了提高产品质量或产品本身的要求，除去无机盐而将有效成分保留并进行浓缩。若选用电渗析或离子交换技术除盐，有的产品本身也带电荷，在除盐过程中也会除去有效成分，故选用纳滤技术较为适宜。如牲畜强壮剂、血活素、16二磷酸果糖等药品都属这种情况，用纳滤技术除盐浓缩的效果都比较满意。35食品饮料行业351茶叶浸泡液的浓缩由于纳滤可在常温下进行，没

14、有相变，可闭路循环浓缩，并基本保留物料的色香味，为此我们与浙江大学协作采用纳滤技术进行茶叶浸泡液的浓缩，将浓缩液提供给浙江大学提取茶多酚，现将三种纳滤膜元件的试验结果列于表6。352甜菊甙水溶液浓缩分离甜菊叶经浸泡、沉降、离子交换脱色脱盐后的溶液，原先都采用减压蒸馏的方法浓缩分离，然后喷雾干燥得到成品，该工艺能耗高，且易发生焦糖化和异性化，为此，尝试采用纳滤技术进行浓缩分离除盐，其效果良好。现举某厂中试生产试验中，原该厂每班经一系列工艺处理后的溶液约59表6三种纳滤膜对茶多酚的脱水除盐情况注：操作压力均为10MPa，除盐符合要求，复合膜为进口膜；CTA为中空纤维膜，cA为卷式膜都是杭州水中心产

15、品。表7能耗对比15吨，采用纳滤与减压蒸馏的对比列于表7。353王老吉饮料浓缩王老吉是广东加多宝饮料食品有限公司的产品，内含水、白砂糖、仙草、蛋花、布渣叶、菊花、金银花、夏枯草、甘草等。浓缩的目的是制备固体饮料。试验结果见表8。由表8可知，透过液外观始终无色透明，浓缩液外观由淡咖啡色逐渐加深，最后变成黑酱衰8用纳滤技术蕺缩王老吉饮料的试验结果油色。随着运行时间的延长，水通量降低。这是由于膜被压密，污染和料液浓度逐步提高造成的。为证实浓度的影响，又加入新料液运行时，水通量又提高到225 Vm2h，进行温度校正后为192 lm2 h。初试结果，该饮料用纳滤膜浓缩是可行的。另外，咖啡、人参提取液的浓

16、缩，各种蛋白质、氨基酸、维生素、奶类、酒类、酱油、调味品等的浓缩精制等，纳滤技术在这一领域的应用十分活跃。36化工领域的分离浓缩纳滤膜技术用于染料精制除盐浓缩，虎伯酸、木质素等的除盐浓缩，效果都比较满意。上海化工研究院采用国家海洋局杭州水处理中心研制的纳滤膜对虎伯酸盐溶液进行除盐浓缩，无机盐的透过率(除盐率)65，对虎伯酸的截留率100；吉林开山屯造低厂用纳滤技术浓缩木质素已经投产几年，效果都很好。总之，纳滤是一项高效节能的膜分离技术，它可以应用于许多领域，有十分广阔的应用前景。60纳滤膜技术的发展及其应用前景作者：刘玉荣， 陈一鸣， 洪勇琦作者单位：国家海洋局杭州水处理中心本文读者也读过(1

17、0条)1. 任英莲.Ren Yinglian 纳滤膜技术及其应用期刊论文-机械管理开发2005(6)2. 废旧橡胶轮胎的处理期刊论文-再生资源研究2001(5)3. 纳滤膜技术变生活污水为生活杂用水期刊论文-机电设备2003,20(3)4. 纳滤膜技术在钢厂循环水脱盐中的应用期刊论文-天津工业大学学报2005,24(5)5. 杨文欢.Yang Wenhuan 废旧轮胎橡胶材料在道路人行道上的应用初探期刊论文-城市道桥与防洪2009(2)6. 范仁德 废旧橡胶综合利用是橡胶工业的一贯做法期刊论文-中国橡胶2006,22(13)7. 朱伟东.王雷.王吉生 浅谈纳滤膜技术在铁路给水深度净化中的应用期刊