中空纖維納濾膜與卷式納濾膜對(duì)比分析

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

（北京匯天運(yùn)維技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京 102400）

0 引言

市面上高品質(zhì)水處理工藝主要以石英砂、活性炭、樹脂軟化、過濾、消毒處理為主，其中過濾屬于核心工藝。近年來，膜分離技術(shù)的快速發(fā)展可以較好地滿足新的飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)對(duì)水體中存在的眾多有機(jī)污染物等方面有著更好的應(yīng)用前景。

根據(jù)孔徑的不同，膜可細(xì)分為反滲透（RO）膜、納濾（NF）膜、超濾（UF）膜和微濾（MF）膜等，病毒顆粒直徑很小，大多介于20～300nm。從孔徑上看，超濾膜不足以去除病毒，出水不能完全達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)；反滲透膜出水為純凈水，長期飲用不利于健康。納濾膜不僅可以去除水中殘留的微量化學(xué)物質(zhì)（如農(nóng)藥、殺蟲劑等）和消毒副產(chǎn)物（三鹵甲烷、鹵乙酸等），截留水中藻類、細(xì)菌及病原微生物以保證生物安全性，去除重金屬等有害的多價(jià)離子，還能保留水中對(duì)人體健康有益的微量元素和礦物質(zhì)，能夠在水源水質(zhì)波動(dòng)和應(yīng)急性條件下保證最終供水水質(zhì)的穩(wěn)定，滿足不同水源條件下的用水需求。

納濾膜在高品質(zhì)飲用水方向主要應(yīng)用有中空纖維納濾膜和卷式納濾膜，本文通過對(duì)市面常用兩類納濾膜進(jìn)行調(diào)查研究與試驗(yàn)應(yīng)用，得出中空纖維納濾膜和卷式納濾膜對(duì)比分析。

1 過濾機(jī)理

人們最早開始研究過濾工藝，認(rèn)為水流流過濾料，就像沙礫通過曬網(wǎng)一樣被截留在外面。所以對(duì)于懸浮雜質(zhì)的去除，理解為篩濾作用。但是事實(shí)上，濾料與了濾料的空隙大小一級(jí)濾料的孔隙大小都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大多數(shù)的懸浮雜質(zhì)，而且對(duì)于粒徑大于濾料的懸浮雜質(zhì)在過濾的初始階段就會(huì)被截留在外，根本不需要深層過濾，只需要最上面一層即可。所以顯然，過濾的主要作用不是篩濾，而且過濾的主要對(duì)象也不是較大顆粒的懸浮物質(zhì)。

納濾過濾兩大機(jī)理：一是攔截作用，二是電荷作用，納濾膜本身多帶負(fù)電，通過對(duì)水中膠體產(chǎn)生的排斥作用和道南效應(yīng)產(chǎn)生的電位差阻礙水中離子通過納濾膜，同時(shí)達(dá)到對(duì)高低價(jià)離子去除的篩分作用。對(duì)于較大顆粒過濾主要依靠的是吸附與截留作用，對(duì)于較小顆粒的過濾主要依靠電荷作用。但是實(shí)際上，過濾具體機(jī)理十分復(fù)雜，在整個(gè)過濾過程中，水流中的懸浮雜質(zhì)會(huì)受到一系列物理作用，其中包括，慣性、攔截、擴(kuò)散、沉淀和水動(dòng)力等作用。

1.1 傳遞機(jī)理

在過濾進(jìn)行的過程中，層流占大多數(shù)，水流速度從顆粒表面到空隙中心逐步增加到最大值，于是傳遞機(jī)制必然使懸浮雜質(zhì)脫離水流流線，最終傳遞到接近膜而變?yōu)檩^低速度。

過濾進(jìn)行時(shí)，雜質(zhì)的脫離同時(shí)還可能還伴隨發(fā)生多種其他機(jī)理，多種作用力協(xié)同達(dá)到去除水流中懸浮物。目前只是停留在理論階段，而對(duì)于具體機(jī)理和計(jì)算有待繼續(xù)研究。水過濾中傳遞機(jī)理的主要作用有：截留作用、擴(kuò)散作用、慣性作用、沉淀作用以及水動(dòng)力作用。

1.2 吸附機(jī)理

當(dāng)水中雜質(zhì)靠近膜表面時(shí)，如同混凝三大機(jī)理中電性中和和吸附架橋作用類似，在電動(dòng)力、分子力等力的共同作用下發(fā)生吸附現(xiàn)象。其中主要驅(qū)動(dòng)力包括靜電動(dòng)力、氫鍵、配位鍵、范德華力等。當(dāng)懸浮顆粒十分接近濾料表面時(shí)約為0.1 微米時(shí)，主要發(fā)揮的為分子力，而當(dāng)懸浮顆粒與濾料距離大于0.1 微米時(shí)，帶電顆粒之間的其他作用力起主導(dǎo)作用，實(shí)際上，帶電顆粒的電動(dòng)力作用最為明顯。此外，聚合電解質(zhì)的應(yīng)用可以產(chǎn)生架橋機(jī)制，從而把懸浮顆粒粘附在濾料顆粒表面。

在相界面上，吸附現(xiàn)象指的就是物質(zhì)濃度發(fā)生自然的濃縮和聚集，分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附主要為范德華力和電動(dòng)力作用，主要表面在分子間作用力。分子間力是普遍存在的，任何兩兩物質(zhì)之間都不免產(chǎn)生吸引力，所以在任何條件下均可發(fā)生吸附。這種吸附過程中同時(shí)進(jìn)行逆過程現(xiàn)象被稱為解吸。影響其吸附程度的因素有很多，比如pH 值、環(huán)境溫度、比表面積等，與表面結(jié)構(gòu)關(guān)系不大?；瘜W(xué)吸附是由媒介與煤質(zhì)間化學(xué)尖力引起的，吸附劑表面分子與吸附質(zhì)中的一些分子化合物形成共價(jià)鍵等方式所產(chǎn)生的就是化學(xué)吸附，這種化學(xué)鍵的性質(zhì)也決定化學(xué)吸附只能形成單分子層。不僅吸附環(huán)境的溫度和壓力以及吸附劑的表面積大小決定吸附過程的程度，而且也與表面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)吸附劑物質(zhì)表面上所吸附的吸附質(zhì)濃度不再發(fā)生變化，則說明其對(duì)于所吸收分子的速度與脫離的速度幾乎平衡，此時(shí)溶液中吸附質(zhì)的濃度就稱為平衡濃度。

1.3 道南效應(yīng)

道南效應(yīng)也就是道南模型，是指電解質(zhì)在半透膜兩邊的化學(xué)勢(shì)相等，若膜的一側(cè)有某種符號(hào)（正或負(fù)）的非擴(kuò)散性離子，則同號(hào)的擴(kuò)散性離子在該側(cè)的濃度較另一側(cè)小。作為納濾過濾區(qū)分一、二價(jià)離子主要因素之一，是基于電子電荷效應(yīng)脫鹽的過程，用來描述納濾膜脫鹽的過程。納濾膜多為電荷膜，如果利用納濾膜對(duì)含有一價(jià)和多價(jià)離子進(jìn)行脫鹽試驗(yàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其對(duì)于不同價(jià)態(tài)離子去除效果差異較大，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高價(jià)有害離子去除的同時(shí)保留有益的一價(jià)鈉、鉀等離子，如圖1 所示。

1.4 濃差極化

濃差極化是指分離過程中，料液中的溶液在壓力驅(qū)動(dòng)下透過膜，溶質(zhì)（離子或不同分子量溶質(zhì)）被截留，在膜與本體溶液界面或臨近膜界面區(qū)域濃度越來越高；在濃度梯度作用下，溶質(zhì)又會(huì)由膜面向本體溶液擴(kuò)散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增加，從而導(dǎo)致溶劑透過通量下降。卷式納濾膜隨著使用時(shí)間的增加，濃差極化現(xiàn)象嚴(yán)重，極大降低膜的水通量，而中空纖維納濾膜則可以更好克服濃差極化現(xiàn)象，運(yùn)行壓力較低，水通量穩(wěn)定。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 納濾膜分類

納濾膜共分為中空纖維納濾膜、卷式納濾膜、管式納濾膜以及板式納濾膜，如圖2 所示，其中中空纖維納濾膜、卷式納濾膜，管式納濾膜以及板式納濾膜各有優(yōu)劣。

中空纖維和卷式膜組件的填充密度高，造價(jià)低，組件內(nèi)流體力學(xué)條件好；但是這兩種膜組件的制造技術(shù)要求高，密封困難，使用中抗污染能力差，對(duì)料液預(yù)處理要求高，主要應(yīng)用于高品質(zhì)飲用水方向。

板框式和管式膜組件雖然清洗方便、耐污染，但膜的填充密度低、屬于死端過濾，主要應(yīng)用于市政水處理方向。

2.2 常用中空纖維納濾膜和卷式納濾膜參數(shù)

市場(chǎng)上納濾膜主要有兩種型號(hào)，一種4 寸4040，一種8寸8040，選用五個(gè)納濾膜生產(chǎn)廠家在高品質(zhì)飲用水方向的主要產(chǎn)品，分別對(duì)其壓力、廢水率、水通量、1 價(jià)離子去除率及2 價(jià)離子去除率及價(jià)格方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，如表1 所示。

表1 常用中空纖維納濾膜和卷式納濾膜參數(shù)

我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用較多的主要幾家納濾膜生產(chǎn)廠家的參數(shù)對(duì)比情況，大體上差異不大，說明目前對(duì)納濾技術(shù)的研發(fā)與認(rèn)識(shí)逐步成熟。

3 技術(shù)對(duì)比

3.1 納濾膜材料

納濾膜材料同樣以兩大類為主，芳香族聚酰胺類及聚醚砜類。芳香族聚酰胺類材料形似尼龍材料，耐受性好，親水性能好，但是較為柔軟，單獨(dú)成膜不穩(wěn)定，常搭配聚醚砜類材質(zhì)提供支架結(jié)構(gòu)形成復(fù)合型膜。聚醚砜類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定結(jié)實(shí)，孔徑較大，孔隙率大，在精度上稍有欠缺。

3.2 運(yùn)行壓力與廢水率

如圖3 所示，過濾壓力屬可調(diào)參數(shù)，一定壓力范圍內(nèi)，壓力越大水通量越大，電耗越大，在額定工作壓力下，中空纖維納濾膜運(yùn)行壓力要明顯低于卷式納濾，主要在于其結(jié)構(gòu)形式可有效克服濃差極化，減少水頭損失。二者廢水率范圍保持在5%-25%，遠(yuǎn)低于反滲透50%。

3.3 去除率

納濾膜孔徑多為1-2nm，電荷作用發(fā)揮主導(dǎo)作用。納濾過濾兩大機(jī)理：一是攔截作用，二是電荷作用，納濾膜本身多帶負(fù)電，通過對(duì)水中膠體產(chǎn)生的排斥作用和道南效應(yīng)產(chǎn)生的電位差阻礙水中離子通過納濾膜，同時(shí)達(dá)到對(duì)高低價(jià)離子去除的篩分作用。

中空纖維納濾，對(duì)于Na+、Mg2+離子去除率具有更明顯區(qū)分度，離子價(jià)越高，產(chǎn)生電位差阻力越大，越容易去除；離子價(jià)越低，產(chǎn)生電位差阻力越小，越難去除，發(fā)揮過濾電荷作用原理更加充分。

4 優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1 中空纖維納濾膜

中空纖維納濾膜材質(zhì)有兩種，具體如表2 所示。

表2 中空纖維納濾膜優(yōu)缺點(diǎn)

4.2 卷式納濾膜

卷式納濾以芳香族聚酰胺材料為主，具有應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、前期過濾效果好，卷式成膜容易、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是清洗困難，存在死角，尤其中間支撐層難清洗，同時(shí)存在濃差極化現(xiàn)象，卷式形態(tài)容易影響出水量。

5 總結(jié)

①納濾技術(shù)較反滲透技術(shù)在生活飲用水上應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)，主要的納濾膜有中空纖維納濾膜和卷式納濾膜。中空纖維納濾膜，技術(shù)新穎，較卷式納濾膜技術(shù)相比具有一定優(yōu)勢(shì)，但目前應(yīng)用較少；卷式納濾膜，價(jià)格較低，應(yīng)用成熟廣泛，但也存在過濾弊端。②高品質(zhì)飲用水納濾膜特性，最直接體現(xiàn)應(yīng)為出水水通量高、總有機(jī)碳低、濁度低、總除鹽率高、對(duì)于高低價(jià)離子的去除具有一定區(qū)分度。③卷式納濾膜裝置需高壓產(chǎn)水、死端過濾、水通量低、廢水排放量高、耗能高；卷式納濾膜耐壓力但不耐污染，死端過濾，產(chǎn)生廢水量大，存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。頻繁換芯導(dǎo)致設(shè)備造價(jià)高和運(yùn)行成本高。中空纖維納濾膜在低壓下具有較高通量，對(duì)單價(jià)、多價(jià)離子選擇性分離程度較高，具有較低廢水率，充分響應(yīng)國家節(jié)約用水號(hào)召，同時(shí)運(yùn)行過程中的實(shí)際能耗和成本遠(yuǎn)低于反滲透膜和卷式納濾膜。④整體納濾膜廠家膜參數(shù)差異并不大，前期出水基本都可達(dá)標(biāo)，單一參數(shù)分析并不能完全反應(yīng)問題，還應(yīng)結(jié)合考慮納濾膜后期使用情況綜合評(píng)價(jià)。