水处理中膜分离技术的应用分析

李鹏

摘 要：对水处理膜分离技术的发展历史和应用现状做了介绍 ，总结了国内外纳滤和反渗透技术在海水苦咸水淡化、废水处理等水处理领域的应用，指出了膜污染、浓差极化现象及成本较高等膜技术应用中普遍存在的问题。由于纳滤膜具有选择透过性，对纳滤技术应用于盐湖卤水资源开发中镁锂分离过程的可行性做了探讨，并从膜原件和配套工艺两方面对相关技术的应用做了展望。

关键词：膜分离技术；水处理；盐湖卤水

中图分类号：C35文献标识码： A

膜分离技术是一门新兴的分离技术，始于 20 世纪初，并于 20 世纪 60 年代后得到迅速发展。 1864年， Moritz Traube 成功制成第一片人造膜-亚铁氰化酮膜。 但直到 1960 年 S.Loeb 和 S.Sourirtajan 研究出具有商业价值的醋酸纤维素非对称膜，确定了 L-S 制膜工业，才开创了膜技术的新纪元。 20 世纪后半叶，随着技术的进步，作为一项高效节能的新型分离技术， 膜分离在工业生产中得到了大规模应用。大约每隔 10 a， 就有一项新的膜过程成功应用于工业上。 近年来，膜分离技术已成为食品加工、废水处理、生物制药、石油化工等方面的重要分离手段。 而反渗透和纳滤作为主要的水处理分离膜，在膜分离领域占有重要地位。

一、发展及现状

中国对反渗透膜的研制始于 20 世纪 60 年代中期，但受限于原材料和基础工业条件，所生产的膜元件成本高而性能较低。 目前，中国国产反渗透膜常用的材料主要为醋酸纤维素膜、芳香聚酰胺膜和壳聚糖膜。中国反渗透膜的应用始于 20 世纪70 年代后期，起初多用于半导体纯水和电子行业，后逐渐扩展到电力及其他工业，随着 20 世纪 90 年代饮用水器具市场的拓展，反渗透膜在家用领域获得普及。在各种膜分离技术中，反渗透技术是近年来在中国发展最快、普及最广的一种。 中国反渗透膜在工业上应用最主要的领域为大型锅炉补给水、各种工业纯水，其次是饮用水市场，目前在电子、半导体、制药、医疗、食品、饮料、酒类、化工、环保等行业也有一定规模的应用。 纳滤膜分离的应用最近十多年才在中国得到发展， 主要用于苦咸水的脱盐软化，其次用在饮用水深度处理、废水处理、食品饮料浓缩等行业。在全世界范围，纳滤和反渗透技术的主要应用领域为海水和苦咸水淡化。 反渗透装置在全世界海水淡化装置中所占比例约为 30%。 在韩国、日本反渗透技术主要应用于电子、医药食品工业；美国和欧洲主要用于工业废水处理和饮用水生产；中东多用于海水淡化。

二、水处理方面的应用

反渗透膜和纳滤膜均可在外加压力下脱出溶液中的无机盐和大分子物质，在透过水分子的同时截留无机盐、糖类、氨基酸及水中污染物，透过溶剂。反渗透膜对几乎全部物质具有高的脱除率，相比较而言纳滤膜对单价无机离子的脱除率较低，且膜材料带有电荷性，分离过程中产生道南作用，故而能在较低压力下实现多价离子的高脱除率，从而表现出对不同价态无机盐离子的选择性。

2.1海水和苦咸水

目前， 反渗透脱盐已成为获取淡水的主要途径，通过对海水和苦咸水脱盐，可解决饮用水的需求。 中国早在 1968 年就在山东潮连岛利用反渗技术透淡化海水获取饮用水，大连市长海县拥有全国最大的反渗透海水淡化站，日产淡水 1 000 m3，成本为 6 元/m3。苦咸水淡化主要在西北地区得到应用，马莲河流域示范工程利用马莲河上游环江苦咸水资源，采用反渗透技术有效解决了环县城区 5 万户居民的饮水问题。 在某些缺水国家，反渗透海水淡化也是获取饮用水的主要途径之一。 2005 年，以色列在阿什克伦建造了当时全世界最大的反渗透海水淡化装置，占以色列全部水需求量的 15%。

软化水处理是纳滤膜最大的应用市场。 纳滤膜可用于水质软化、降低总溶解固体（TDS）浓度、去除色度和有机物。 纳滤膜在低压下具有较高通量，对一、二价离子区分度较高，浓水中保留适当有用水分，故实际能耗和运行成本比反渗透膜低。 美国已有超过 100 万 t/d 规模的纳滤软化水装置在运转。利用 NF-70 膜处理佛罗里达的浅井水，原水中 TDS和有机物质量浓度大于 500 mg/L，在 0.69 MPa 操作压力下，总硬度可以降低 92%。 纳滤膜对物质的选择透过特性使其在海水苦咸水资源利用方面前景广阔。

2.2工业废水

2.2.1 电镀废水

反渗透膜从 20 世纪 70 年代开始用于处理电镀废水，随着技术的不断发展，反渗透膜已大规模用于处理含锌、镍、铬、铜等单一或混合重金属废水。由于反渗透膜的高截留率， 可以将废水中大多数的污染离子截留，得到干净的产水，从而实现资源的循环利用。在处理废水的同时，往往将反渗透或者纳滤与沉降、超滤、添加剂、活性炭吸附、pH 调节等预处理工艺相结合。例如向含有铜和镍离子的废水中加入 Na2EDTA 进行螯合后， 再利用反渗透膜分离，可将铜和镍除去 99.5%。

2.2.2 纺织印染废水

印染行业产生的废水色度高、水量大，含有生物毒性物质和重金属元素， 若直接排放会造成严重的环境污染。经研究指出，处理印染废水时，纳滤膜在较低压力下能获得较高通量， 且抗污染能力较反渗透膜强， 虽然纳滤膜对一价离子去除率较低，但两种膜对镁、钙等工业循环回用水中最关注的离子去除率效果相当， 反渗透和纳滤的处理成本分别为 1.82 元/m3和 1.53 元/m3，纳滤法成本较低。 而对活性炭吸附、臭氧处理、纳滤等方法进行对比， 发现对纺织工厂废水处理效果最有效的是纳滤法。 因此，在纺织印染废水处理方面，纳滤法经济高效，更具有优势。

2.2.3 食品行业废水

食品加工行业产生的废水一般含有高浓度蛋白质、糖类等有价值的有机物，因此对这类废水的处理主要目的之一是回收利用其中的有机物。一些研究人员用微滤膜和纳滤膜对黄姜废水进行处理，可从废水中提取出纯度为 85%～90%的葡萄糖溶液，COD从 82 000 mg/L 降至 4 000 mg/L，进一步生化处理可达到排放标准。 相比于反渗透膜对几乎全部物质都有高截留率，纳滤膜允许一价盐通过，可在一定程度上将食品加工废水中的可用有机物与盐分离。 陈东升用纳滤膜处理林可霉素废水，结果表明选择对500 mol/L 的氯化钠溶液的脱出率为 70%～80%的纳滤膜效果较好。

2.2.4 化工废水

化工废水的随意排放不仅是对环境的一大污染，还是对资源的浪费。陕西金堆城钼业钼酸铵生产改造项目中利用纳滤和反渗透联合技术处理钼酸铵废水，使废水中钼离子回收率达 96%以上，废水得到净化并回用于生产。膜分离法本身绿色无污染，针对不同化工废水的特定组成， 结合合适的预处理手段，在回收有用物质的同时可实现废水的净化。

2.2.5 其他废水

此外， 采用反渗透或纳滤法处理电厂循环排污水、垃圾场渗滤液、矿山废水等的研究均有报道。 反渗透膜和纳滤膜本身绿色无污染， 对高价离子和大分子高截留率的特点使其在水处理的很多方面都能够得到应用。 随着新型膜组件的开发以及与其他分离方式的联合使用，膜分离法在水处理中低成本、高效率的优势将更加凸显。

结束语

随着膜分离技术的持续发展，其应用领域也不断扩展。将膜分离法应用于相关的开发近几年才起步，还没有完善的工艺出现，相关的基础研究也鲜有报道，亟需引起广泛的关注以及展开大量的科研工作，以促进中国盐湖资源从单一品种粗放开发到综合利用的转变，实现可持续发展。

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