納濾

定義1：以壓力差為推動力，介於反滲透和超濾之間的截留水中粒徑為納米級顆粒物的一種膜分離技術。

它具有以下兩個特徵：

1.對於液體中分子量為數百的有機小分子具有分離性能。

2.對於不同價態的陰離子存在道南效應。物料的荷電性，離子價數和濃度對膜的分離效應有很大影響。

納濾主要運用於飲用水和工業用水的純化，廢水淨化處理，工藝流體中有價值成份的濃縮等方面。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來，如CA、CTA膜、芳族聚酰胺複合膜和磺化聚醚碸膜等。但與反滲透相比，其操作壓力更低，因此納濾又被稱作“低壓反滲透”或“疏鬆反滲透”（LooseRO）。

納濾膜是荷電膜，能進行電性吸附。在相同的水質及環境下制水，納濾膜所需的壓力小於反滲透膜所需的壓力。所以從分離原理上講，納濾和反滲透有相似的一面，又有不同的一面。納濾膜的孔徑和表面特徵決定了其獨特的性能，對不同電荷和不同價數的離子又具有不同的Donann電位；納濾膜的分離機理為篩分和溶解擴散並存，同時又具有電荷排斥效應，可以有效地去除二價和多價離子、去除分子量大於200的各類物質，可部分去除單價離子和分子量低於200的物質；納濾膜的分離性能明顯優於超濾和微濾，而與反滲透膜相比具有部分去除單價離子、過程滲透壓低、操作壓力低、省能等優點 ^[2]  。

納濾分離作為一項新型的膜分離技術，技術原理近似機械篩分。但是納濾膜本體帶有電荷性。這是它在很低壓力下仍具有較高脱鹽性能和截留分子量為數百的膜也可脱除無機鹽的重要原因。

納濾分離愈來愈廣泛地應用於電子、食品和醫藥等行業，諸如超純水製備、果汁高度濃縮、多肽和氨基酸分離、抗生素濃縮與純化、乳清蛋白濃縮、納濾膜-生化反應器耦合等實際分離過程中。與超濾或反滲透相比，納濾過程對單價離子和分子量低於200的有機物截留較差，而對二價或多價離子及分子量介於200～500之間的有機物有較高脱除率，基於這一特性，納濾過程主要應用於水的軟化、淨化以及相對分子質量在百級的物質的分離、分級和濃縮（如染料、抗生素、多肽、多醣等化工和生物工程產物的分級和濃縮）、脱色和去異味等。主要用於飲用水中脱除Ca、Mg離子等硬度成分、三滷甲烷中間體、異味、色度、農藥、合成洗滌劑，可溶性有機物，及蒸發殘留物質。

隨着對環境保護和資源綜合利用認識的不斷提高，人們希望在治理廢水的同時實現有價物質的回收，比如：大豆乳清廢液中含有1%左右的低聚糖和少量的鹽，亞硫酸鹽法制備化纖漿和造紙漿過程出現的亞硫酸鈣廢液中含有2%～2.5%的六碳糖和五碳糖，製糖工業中出現的廢糖蜜中含有少量的鹽等等。

NF分離是一種綠色水處理技術，在某些方面可以替代傳統費用高，工藝繁瑣的污水處理方法。其技術特點是:能截留分子量大於100的有機物以及多價離子，允許小分子有機物和單價離子透過；可在高温，酸，鹼等苛刻條件下運行，耐污染；運行壓力低，膜通量高，裝置運行費用低；可以和其他污水處理過程相結合以進一步降低費用和提高處理效果。在水處理中，NF膜主要用於含溶劑廢水的處理，能有效地去除水中的色度，硬度和異味。NF膜以其特殊的分離性能已成功地應用於製糖，製漿造紙，電鍍，機械加工以及化工反應催化劑的回收等行業的廢水處理。

納濾是一種綠色水處理技術，是國際上膜分離技術的最新發展，在某些方面可以替代傳統費用高、工藝繁瑣的污水處理方法。納米級孔徑且帶有電荷的特殊過濾性能特點是：能截留分子量大於200的有機物以及多價離子，允許小分子有機物和單價離子透過；可在高温、酸、鹼等苛刻條件下運行，膜耐受的條件範圍寬，濃縮倍數高，耐污染；運行壓力低，膜通量高，裝置運行費用低，能耗極低(唯一驅動力是壓力)。

由於納濾膜特殊的孔徑範圍和製備時的特殊處理(如複合化、荷電化)，使得納濾膜具有較特殊的分離性能，其在降低廢水COD、水源水的色度、硬度和去除飲用水中的有機物(TOC)、三滷代烷(THMs)前驅物等方面的應用近年來受到廣泛重視，已成功地應用於製糖行業、造紙行業、電鍍行業、機械加工行業及化工反應催化劑的回收行業等的廢水處理中。納濾膜的應用研究主要集中在幾個方面：根據中性溶質的分子量大小而進行分離；截留有機物分子而讓單價電解質透過膜層；根據離子價態而實現離子問的分離。根據納濾膜分離的特點，其應用範圍主要適用於下述情況的物質分離：①對單價鹽分離的截留率要求不高；②要求進行不同價態離子的分離，如軟化處理；③需要對高分子量有機物與低分子量有機物進行分離，如葡萄酒脱醇；④鹽和對應的酸的分離；⑤有機物和無機物的分離，如染料脱鹽、乳清濃縮脱鹽和飲用水淨化。

納濾膜具有熱穩定性、耐酸、耐鹼和耐溶劑等優良性質，在廢水的有價物質回收中起到不可估量的作用，廣泛地應用於各種有機廢水的回收處理。比如農藥廢液處理、乳清和抗菌素脱鹽、電鍍廢液中金屬回收、各種石化廢水處理等。在給水處理中，納濾膜主要用於製備軟化水、飲用純淨水，能有效地去除水中的色度、硬度和異味 ^[2]  。

（1）日用化工廢水處理：用NF膜處理日用化工廢水的應用研究表明NF膜耐酸鹼，有優良的截留率，對重金屬有很好的去除率，不存在膜污染問題。據估計，由於NF膜的運行費用低於反滲透技術，對有機小分子有良好的脱除率，可能會覆蓋90%以上的日用化工廢水處理。

（2）石油工業廢水處理：石油工業廢水主要包括石油開採和煉製過程中產生的含各種無機鹽和有機物的廢水，其成分非常複雜，處理難度大。採用膜法特別是NF法與其他方法相給合，既可有效處理廢水還可以回收有用物質。例如，先用NF膜將原油廢水分離成富油的水相和無油的鹽水相，然後把富油相加入到新鮮的供水中再進入洗油工序，這樣既回收了原油又節約了用水。以前多采用反滲透和相分離結合的方法處理石油工業廢水，但存在着膜污染嚴重的問題，如果在反滲透前加一NF膜，就可以解決膜污染的問題。石油工業的含酚廢水中主要含有苯酚，甲基酚,硝基酚以及各類取代酚，此類物質的毒性很大，必須脱除後才能排放，若採用NF技術，不僅酚的脱除率可達95%以上，而且在較低壓力下就能高效地將廢水中的鎘、鎳、汞、鈦等重金屬高價離子脱除，其費用比反滲透等方法低得多。

（3）殺蟲劑廢水處理：一般的水處理方法不能除去污染水中的低分子有機農藥。通過研究NF膜對不含酚殺蟲劑的截留性能發現除了二氯化物以外，其他殺蟲劑的截留率均高於96。7%，所有殺蟲劑在NF膜上的吸附能力均受其疏水性的影響。採用NF處理含有酚類殺蟲劑的廢水也十分有效。

（4）化纖，印染工業廢水處理：NF可以用於印染過程排水中染料及助劑的脱除和回用。處理染料聚合漿料時，由於大多數染料的分子量在幾百到幾千，NF膜可以讓一些無機鹽或小分子通過，而對較大的染料分子進行截取，粗染料漿液經NF系統後，染料可以富集，而無機鹽的濃度下降，脱鹽率大於98%，染料損失率小於0.1%，而且可以在高温下運行。此外，NF還可以用於纖維加工過程中的含油廢水的處理及回收再利用。

（5）生活污水處理：採用常用的生物降解和化學氧化相結合的方法處理生活污水時，氧化劑的消耗很大，殘留物多。如果在它們之間增加一個NF系統，讓能被微生物降解的小分子（分子量小於100）通過，不能生物降解的有機大分子（分子量大於100）被截留下來經化學氧化後再生物降解，這樣就可以充分發揮生物降解的作用，節省氧化劑或活性炭的用量，降低最終殘留物的含量。

（6）熱電廠二次廢水的治理及回收利用：熱電廠的二次廢水主要來自衝灰，除塵及冷卻系統，此類廢水中含有大量的懸浮固體,灰份及高含量的鹽份和部分有機物。利用NF可以把這一類廢水處理成工業回用水。首先用微濾除去水中的全部懸浮顆粒，質量分數為99%的BOD，98%的COD，73%的總氮和17%的總磷，同時將水中的菌落總數降到3～4個/L，然後加酸降低pH以除去CO2，最後再經NF脱鹽，達到鍋爐用水的質量。澳大利亞太平洋熱電廠的Eraring發電站已用NF對此類廢水進行處理，每天處理1000～15000m3廢水，既減輕了市政供水系統的負荷，每年又可為熱電廠節約操作費用80萬美元。該熱電廠準備擴大發電規模，用水量也相應增大，估計到2010年，處理此類廢水量將達5000m3/d，效益極其可觀。

（7）酸洗廢液處理：鋼廠的酸洗工序是將鋼材浸入質量分數為20%左右的硫酸酸洗槽中進行酸洗。隨着酸洗的進行，硫酸濃度逐漸降低，硫酸亞鐵濃度不斷增高，當溶液中硫酸的質量分數降至6%～8%，生成的硫酸亞鐵濃度超過200～250g/L時，酸洗速率下降，必須更換酸洗液，排放酸洗廢液。酸洗好的鋼材必須用清水進行沖洗以除去表面的酸性物質，又造成了廢酸水的外排。為了保護環境，節約資源，可採用NF工藝處理酸洗廢液。利用NF膜對硫酸和硫酸亞鐵截留率的不同，先將硫酸亞鐵截留在濃縮液中，然後將濃縮液送入冷卻結晶罐，冷卻結晶出FeSO4·7H2O；透過液再經能截留硫酸的另一NF膜組件，截留後濃縮為20%的硫酸，再生酸液回收利用，透過液則排至廢酸水站，進一步處理排放或回收。這一工藝回收了硫酸和硫酸亞鐵，同時實現了酸洗廢液的回收綜合利用和廢酸水達標排放的目的。

（8）造紙廢水處理：採用NF膜技術替代傳統的化學處理法能更為有效地除去深色木質素。木漿漂白過程產生的氯化木質素是帶負電的，容易被帶負電性的NF膜截留，並且對膜不會產生污染。另外,因為整個處理過程中對陽離子（Na+）的脱除率並沒有嚴格要求，採用反滲透技術就顯得沒有必要。採用超濾/納濾處理牛皮紙製造廢水有很好的效果。

納濾膜的孔徑範圍介於反滲透膜和超濾膜之間，其對二價和多價離了及分子量在200～1000之間的有機物有較高的脱除性能，而對單價離子和小分子的脱除率則較低。而且，與反滲透過程相比，納濾過程的操作壓力更低(一般在1.0Mpa左右);同時由於納濾膜對單價離子和小分子的脱除率低，過程滲透壓較小，所以，在相同條件下，納濾與反滲透相比可節能15%左右[3]。因而在水處理中，納濾被廣泛應用於飲用水的濃度淨化、水軟化、有機物和生物活性物質的除鹽和濃縮、水中三滷代物前軀物的去除、不同分子量有機物的分級和濃縮、廢水脱色等領域。

Sibille等研究了法國Auverw-sur-Oise市的地下水，對納濾和生物處理飲用水(臭氧—生物活性炭過濾)進行了對比。結果表明，納濾可以顯著提高飲用水的水質，減少細菌數量和有機物的濃度，從而使後續消毒更有效，也減少了三氯甲烷的形成。但是，研究又指出，少量極易被細菌等吸收的可生物降解的有機物質(BOM：Biological Organic Matter)、可同化有機碳(AOC：Assimilable Organic Carbon)也能透過納濾膜。

雖然，納濾技術的工程應用在美國、日本等國家的給水行業中已經得到大規模的推廣，但在我國，將納濾技術廣泛地應用於工程實踐的條件還不成熟，尚處於嘗試階段、本要問題是國產納濾膜的性能指標不夠過關。已有工程實例的報道，如國內首套工業化大規模膜軟化系統——山東長島南隍城納濾示範工程，是納濾技術在高硬度海島苦鹹水淨化的實際應用。該工程由國家海洋局杭州水處理中心設計，於1997年4月正式投入生產淡水，系統連續正常運行27個月，淡化水符合國家生活飲用水衞生標準。

有關學者曾採用納濾膜對某市自來水(以污染嚴重的淮河水為原水)進行深度處理試驗，研究了納濾循環制水試驗工藝的效果。結果表明，循環試驗工藝與單級納濾工藝相比，在同樣較低的壓力下，出水率較高，並且能耗降低，減少了濃水排放。即使在回收率較高(80%)的情況下，膜出水中的總有機碳(TOC)仍比自來水低50%;對致會變物的去除十分顯著，使Ames試驗陽性的水轉為陰性。

納濾膜有較高的膜通量，可以截留有機及無機污染物，而對人體必需的一些離子又有較大的透過率，因此，把納濾膜應用於飲用水的深度淨化較其它的膜分離技術有較大的優勢。把鋼濾膜應用於給水處理領域的主要問題是：

這三個問題是膜分離的基本問題，也是納濾膜法水處理技術難以廣泛應用的主要原因。世界各國的水處理工作者正在進行廣泛的研究，尋求解決這些問題的途徑。納濾技術在給水處理領域的推廣應用還依賴於這些問題的進一步解決。

NF膜對水中分子量為幾百的有機小分子具有分離性能，對色度，硬度和異味有很好的去除能力，並且操作壓力低，水通量大，因而將在水處理領域發揮巨大的作用。在NF膜的製備，表徵和分離機理方面，還有大量的技術問題需要解決，尚需要開發廉價而性能優良的膜，並能提供給用户各種準確的膜性能參數，這些都是納濾技術在廢水處理及其他應用中的關鍵。

納米TiO2光催化氧化技術介紹了納米科技特別是納米TiO2光催化氧化技術和納濾膜技術的原理及其在水處理中的作用及應用方法，認為嶄新的納米水處理技術的應用已為期不遠。納米科技研究在0.1～100nm尺度範圍內物質具有的特殊性能及如何利用這些性能。廣義上，納米材料是指在三維空間中，至少有一維達到納米尺度範圍或以它們為基本單元所構成的材料。納米材料在機械性能，磁，光，電，熱等方面與普通材料有很大的不同，它具有輻射，吸收，催化，吸附等新特性。許多科學家研究了納米材料的這些特性及其對水體中的某些污染物的作用，表明納米科技可能將使水處理技術發生突破性的變化。