膜技术在水处理中的应用摘要:膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,当溶液或混和气体与膜接触时在压力下,或电场作用下,或温差作用下,某些物质可以透过膜,而另些物质则被选择性的拦截,从而使溶液中不同组分,或混和气体的不同组分被分离,这种分离是分子级的分离。
膜技术在水处理中应用是利用水溶液(原水) 中的水分子具有透过分离膜的能力，而溶质或其他杂质不能透过分离膜，在外力作用下对水溶液(原水) 进行分离，获得纯净的水，从而达到提高水质的目的。
本文介绍了正向渗透膜、反渗透膜、微滤膜、超滤膜、纳滤膜技术、双极膜技术、电渗析技术的基本原理及其在水处理中的应用，并着重介绍双极膜的原理及其应用。
关键词：膜技术；水处理；纳滤膜；双极膜前言随着我国工业化和城市化的发展，大量的生活和工业废水排入水体，这些废水中多含有不同浓度的化学成分，造成了严重的水体污染，为保护环境，使其不受污染，并能回收一些有用物质，在工业和城市废水排放之前必须进行净化处理。
膜分离技术是一种新型高效、精密分离技术，它是材料科学与介质分离技术交叉结合形成的一门技术，具有高效分离、设备简单、节能、常温操作、无污染等优点，广泛应用于工业领域众多行业，据统计，全球膜销售额每年以14％～30％的速度增长[1]。
膜分离在废水处理中已得到了广泛的应用，并将会成为主要的先进废水处理技术，有着广阔的发展前景。
1 正向渗透膜技术1.1正向渗透（FO）的原理用只能透过溶剂而不能透过溶质分子的半透膜将溶剂和溶液隔开，溶剂分子将在渗透压的作用下自发地从溶剂侧透过膜进入溶液侧，这就是渗透现象，也即所谓的“正向渗透”。
渗透过程的驱动力是膜两侧的渗透压差，或理解为膜两侧水的化学势的差值，水流方向为从渗透压低(水化学势高)的一侧流向渗透压高(水化学势低)的一侧。
由正向渗透的原理可知，FO膜的产水侧需要比进水侧具有更高的渗透压以保证获得一定的水通量。
在FO膜产水侧能提供高渗透压的溶液是FO工艺的关键所在，一般称之为“提取液”(Draw Solution，DS)[2]。
进料中的水透过膜进入提取液，稀释的提取液需要经过再浓缩工艺以恢复其渗透压并进行循环利用，同时获得洁净的产水。
正向渗透膜分离工艺的流程见图1。
图1 正向渗透分离工艺图1.2正向渗透膜在水处理中的应用1.2.1海水淡化FO用于海水淡化是其研究最为广泛的领域之一。
早期的应用研究主要见于一些专利中，但这些研究大都不成熟，可行性不高。
McCutcheon等[3]研究了一种新型的FO海水淡化工艺，采用易溶气体氨气和CO2制成提取液，可获得非常大的渗透压，且该提取液可在较低的温度(60℃)下热解为氨气和CO2，便于循环利用。
进一步的研究[4]考察了不同进水浓度的通量变化，当采用6 mol/L的提取液浓度处理0.5 mol/L的NaCI溶液(相当于原海水浓度)时可获得23．04 L/( m2·h)的水通量，处理2 mol/L的NaCl溶液(相当于水回收率为75％时的海水淡化的浓水)时可获得7．2 L/(m2·h)的水通量，且脱盐率均高于96％。
尽管试验所得的通量值远低于理论计算值(约为理论值的2％～5％，主要由于内部浓差极化所致)，但此通量已相当可观。
因而，FO工艺用于海水淡化具有良好的应用前景，主要的技术难点在于适用于FO工艺的膜的研制，以尽量减小浓差极化影响，提高膜通量；另一方面，高溶解度、易浓缩分离的提取液的开发也是关键点之一。
1.2.2 工业废水处理早期有研究报道了FO膜用于低浓度重金属废水的处理，但由于其采用的R O(反渗透)膜污染严重，通量下降迅速，因而未得到深入开展。
近来有报道采用FO/RO组合工艺处理纺织印染生产废水，无需化学药剂，浓缩液可进行焚烧或厌氧消化产气。
该工艺还可用于离子交换再生废水、制革废水、煤层气生产废水等工业废水的处理，尤其适合于沿海地区(可采用海水作为提取液)。
1.2.3 垃圾渗滤液处理美国俄勒冈州科瓦利斯市的Coffin Butte垃圾填埋场每年可产生(2-4)×104 m3的垃圾渗滤液，为达到土地利用的水质标准，必须将出水的TDS降到100mg/L 以下。
通过前期试验，建立了以F0工艺为主体的垃圾渗滤液处理厂，采用75 g/L 的NaCl溶液作为FO的提取液，用RO单元对提取液进行浓缩回用。
在1998年6月-1999年3月的运行期间，该厂共处理垃圾渗滤液18 500 m3，平均水回收率为91.9％，RO产水平均电导率为35μS/cm，对大多数污染物的去除率>99％，远高于土地利用的水质要求。
2反渗透膜技术2.1 反渗透（RO）的原理反渗透是一种以压力为推动力的膜分离过程在使用中为产生反渗透压需用水泵给含盐水溶液或废水施加压力以克服自然渗透压及膜的阻力使水透过反渗透膜,，将水中溶解盐或污染杂质阻止在反渗透膜的另一侧其原理详见图2图2 反渗透原理膜是反渗透系统的心脏膜的好坏直接决定着反渗透系统的性能采用不同膜材料制备的反渗透膜具有不同的化学稳定性热稳定性机械性能和亲和性能目前常用的膜材料有[5]:1.纤维素酯、二醋酸纤维素及三醋酸纤维素：2.聚芳香酰胺3.聚苯并咪唑、聚苯并咪唑酮、聚酰胺酰肼和聚酰亚胺。
2.2反渗透膜在水处理中的应用2.2.1 反渗透膜在水处理方面的常规应用水是人们赖以生存和进行生产活动必不可少的物质条件。
由于淡水资源日益缺乏，世界上反渗透水处理装置的能力已达到每天数百万吨。
现在采用反渗透膜淡化海水制取饮用水已成为最经济的手段[6]，每吨水耗电在5 kW•h以下,最大的装置处理能力达2.0×105 m3/d，同样它也是苦咸水淡化最经济的方法，每吨水耗电在0.5~3kW•h，最大的装置处理能力达1.3×105 m3/d。
2000年，在国家科技部重点科技攻关项目“日产千吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下，1000 t/d级的反渗透海水淡化示范工程先后在山东长岛浙江嵊泗建成[7]。
2.2.2 反渗透膜在城市污水方面的应用目前，反渗透膜在城市污水深度处理方面的应用尤其是污水处理厂二级出水回用及中水回用等，已受到高度重视。
美国Califoinia Oiange县WF21工厂最早在废水深度处理中使用了反渗透膜技术。
中东不少缺水国家也采用反渗透膜技术处理城市污水，其一级反渗透膜出水含盐80mg/L二级出水含盐10mg/L达到回用要求。
SUZUKIY[8]等将不同组件形式、不同材质的反渗透膜用于生活污水回用处理研究，结果表明：螺旋卷式聚乙烯醇复合膜和三醋酸纤维素中空纤维膜在废水回用工艺中具有较高的实用价值：膜透过液水通量较大，水质无色透明、无味，粪便大肠菌类的截留率为100%，渗透液COD为1-2mg/L，色度≤1度，磷含量为0.01mg/L,基本与城市给水相差不大。
2.2.3反渗透膜在重金属废水处理方面的应用含重金属离子废水的常规处理方法都只是一种污染转移, 即将废水中溶解的重金属转化成沉淀或更加易于处理的形式，其最终处置常常是进行填埋，而重金属对地下水和地表水环境造成二次污染的危害依然长期存在。
国内外均对反渗透法处理重金属废水进行了广泛深入的研究，发现采用反渗透膜技术不仅可以避免产生二次污染，而且还能获得高的金属离子截留率。
目前, 在电镀工业中我国约有100套反渗透装置应用于处理含镍及含铬电镀液，组件多采用内压管式或卷式。
国家海洋局杭州水处理技术中心采用3级浓缩即第一级纳滤浓缩10倍，第二级反渗透(BWRO)浓缩5倍，第三级反渗透(SWRO)浓缩2倍，对电镀镍漂洗水进行处理，结果水中的Ni2+由300mg/L浓缩至30mg/L流量由50t/h减至0.5t/h后进入负压蒸发系统得到NiSO4•6H2O晶体和其它电解质晶体，透过液经离子交换后Ni2+小于0.5mg/L,然后同自来水混合经处理后回用作漂洗泡沫镍的纯水[9]。
2.2.4反渗透膜在含油废水方面的应用含油废水是一种量大面广的工业废水，若直接排入水体，会在水体表层产生油膜阻碍氧气溶入水中从而致使水中缺氧、生物死亡、发出恶臭，严重污染生态环境。
一般，含油废水中的油分以浮上油、分散油、乳化油三种状态存在，其中前两种比较好处理，经机械分离、凝聚沉淀和活性炭吸附、油分可降低到几mg/L 以下，而乳化油含有表面活性剂和起同样作用的有机物，油分以微米数量级大小的粒子存在，所以长期保持稳定难以分离。
对含乳化油的废水应用反渗透法处理，不需破坏乳化液进行浓缩分离，其浓缩液采用焚烧处理，渗透液可进行回用或排放处理美国加利福尼亚的圣泡斯废热电站第一次大规模应用反渗透装置于油田采出水处理，成功地将含盐3000mg/L、硅6263mg/L、油3.5mg/L、总有机碳(TOC)(16 ~23) mg/L的油田采出水处理到锅炉用水水质于是处理后的水回用于电站锅炉给水。
3微滤和超滤膜技术3.1 超滤（UF）和微滤(MF) 的基本原理超滤和微滤都是在静压差的推动力作用下进行液相分离的过程，从原理上说并没有什么本质上的差别，同为筛孔分离过程。
在一定压力作用下，当含有高分子的溶质和低分子溶质的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶质（如无机盐）透过膜，成为渗液被搜集；大于膜孔的高分子溶质（如有机胶体）则被膜截留而作为浓缩液回收。
能截留分子量500以上、106以下分子的膜分离过程称为超滤；只能截留更大分子（通常被称为分散颗粒）的膜分离过程称为微滤。
浓差极化和膜污染对以压差为推动力的膜过程的分离效果和过程可靠性有极大的影响，尤以对超滤和微滤的影响最大。
浓差极化是由于膜的选择透过性，被截留组分在膜料液侧表面累积，其浓度往往比料液主体的浓度高得多，此时，膜渗透流率与操作压力无关，主要取决于边界层内的传质情况，即产生了浓差极化。
3.2超滤和微滤膜的应用超滤、微滤技术可以有效去除颗粒状物质，包括微生物，如隐胞虫子、贾第虫、细菌和病毒。
还可通过一定程度地降低消毒副产物前体物的浓度和限制消毒过程中氧化剂需求量来减少消毒副产物。
但对水中有机物的去除率很低，仅在20%以下。
超滤和微滤的使用范围比较广，能够适用于处理不同的水质量。
4纳滤膜技术4.1 纳滤（NF）原理纳滤(NF)是一种新型分子级膜分离技术，是目前世界膜分离领域研究的热点之一。
NF膜孔径在1nm以上，一般在1-2nm；对溶质的截留性能介于RO与UF 膜之间；RO膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率，但NF膜只对特定的溶质具有高脱除率[10]。
NF膜能够去除二价、三价离子，M n≥200的有机物，以及微生物、胶体、热源、病毒等[11]。
纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷，这是它在很低压力下(仅0.5MPa)仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因，也是NF运行成本较低的主要原因。