膜分離技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用及其前景
行業(yè)動態(tài)
當(dāng)前，社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)。膜分離技術(shù)由于占地面積效、節(jié)能環(huán)保、易于自動控制等優(yōu)勢，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，被越來越多的人了解和接受，被認(rèn)為是21世紀(jì)較有前途的水處理技術(shù)之一。作為新興的高效分離技術(shù)之一，膜分離技術(shù)現(xiàn)已被廣泛用于化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)保等領(lǐng)域，該技術(shù)的發(fā)展被稱為“第三次工業(yè)革命”。
膜分離法是在某種推動力作用下，利用天然或人工合成的高分子膜對雙組分或多組分物質(zhì)進(jìn)行分離、分級、提純和富集的方法。其機(jī)理為：利用特定膜的透過性能分離水中的離子、分子和雜質(zhì)。在分離過程中，分離效果受到諸如膜結(jié)構(gòu)、電性或多方面因素的影響。一般認(rèn)為，膜對溶質(zhì)的分離主要經(jīng)三個過程：
（1）膜表面的篩分：比膜孔大的顆粒被阻擋在膜表面外。
（2）一次吸附：微粒被吸附到膜內(nèi)部。
（3）脫除：微粒從膜內(nèi)脫除，達(dá)到分離目的。
1 膜技術(shù)的分類
根據(jù)膜分離技術(shù)的構(gòu)造和功能不同，一般可分為以下幾類。
1.1 超濾膜
超濾（UF）是以壓力差為動力的過濾技術(shù)，可對不同相對分子質(zhì)量的物質(zhì)進(jìn)行 分離，其技術(shù)原理與普通過濾方法一致，主要是篩分作用。該技術(shù)可同時(shí)對膠體或大分子物質(zhì)進(jìn)行分離，且具有能耗低、效率高、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用低、工作壓力低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。超濾既可以循環(huán)處理合格的工業(yè)過程水，也可與其他工藝聯(lián)合，制備合格的純水，亦可用于中水回用。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于飲用水處理、工業(yè)廢水處理、石油化工、電廠等領(lǐng)域。
1.2 滲透蒸發(fā)膜
滲透蒸發(fā)膜又稱滲透汽化，是一種新型的膜分離技術(shù)。該技術(shù)利用膜透過和汽化相結(jié)合的分離過程，結(jié)合常規(guī)分離技術(shù)（如蒸餾、精餾等），達(dá)到分離和濃縮部分有機(jī)液體混合物的目的，尤其是近沸點(diǎn)混合物和共沸混合物。盡管滲透蒸發(fā)膜具有投資小、維護(hù)費(fèi)用低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)過大力研發(fā)改進(jìn)，但是其效率不高，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有限。
1.3 反滲透膜
反滲透（RO）又叫逆滲透，是利用半透膜的選擇性，以壓力差作為推動力，在膜的一側(cè)施加壓力，促使混合物通過濾過膜，使原液里的溶劑通過半透膜，到達(dá)另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離。該技術(shù)具有效率較高、維護(hù)成本低、操作簡便等優(yōu)勢。
目前越來越多的海水淡化系統(tǒng)采用反滲透膜技術(shù)。21世紀(jì)，能量回收裝置的應(yīng)用極大降低了反滲透膜在海水淡化應(yīng)用中的成本。隨著反滲透膜技術(shù)的研究發(fā)展及成本的下降，該技術(shù)成為苦咸水淡化中較具競爭力的工藝方法，因此成為了脫鹽的主流工藝。此外，反滲透膜技術(shù)在中水回收方面也有著廣泛應(yīng)用。
1.4 微濾膜
能夠進(jìn)行微孔過濾的膜稱為微濾膜。微濾膜屬于靜態(tài)過濾，其動力來源是靜壓差。微濾是利用壓力推動流體透過膜或其他過濾介質(zhì)從流體中分離出微米粒子的過程。微濾膜的分離機(jī)理分為：篩分截留、吸附截留、架橋截留和網(wǎng)絡(luò)截留。該膜孔徑均勻，孔隙率在80%左右，阻力小，低壓下即可運(yùn)行；其優(yōu)點(diǎn)是效率高、速度快、介質(zhì)不易脫落、吸附物質(zhì)極少等。微濾目前已被廣泛應(yīng)用于飲用水、污水、反滲透和納濾的預(yù)處理等領(lǐng)域；在食品、藥品行業(yè)中，主要用于去除食品、飲料及酒類中的微生物及細(xì)微的雜質(zhì)；在其他工業(yè)中用于去除廢水中的懸浮物、細(xì)菌等顆粒物。
1.5 納濾膜
納濾膜是一種20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展起來的介于UF和RO之間的膜分離技術(shù)，也是當(dāng)前膜分離領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。納濾膜的孔徑在1nm以上，一般在1～2nm，而且膜表面帶負(fù)電荷；納濾膜通過靜電相互作用，阻礙多價(jià)離子的滲透，從而實(shí)現(xiàn)離子分離，因此，納濾膜具有篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)兩大特性。納濾膜屬于壓力驅(qū)動膜，在同等壓力下，納濾膜通量比反滲透大得多，可在較低壓力下有效地去除水中的有害物質(zhì)。
納濾可有效去除水中構(gòu)成硬度的離子，因此可以進(jìn)行水的軟化。納濾膜在水處理行業(yè)主要用于飲用水處理、工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域，該技術(shù)在美國印第安河縣已經(jīng)有所應(yīng)用。
2 膜分離技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用
2.1 飲用水處理
膜分離技術(shù)處理飲用水主要是去除水中的有害物質(zhì)（如細(xì)菌、病菌等），并過濾懸浮物。膜分離技術(shù)因其簡單、穩(wěn)定、高效等優(yōu)點(diǎn)，近幾年被廣泛應(yīng)用于飲用水制取方面，且處理規(guī)模不斷增加。將超濾、納濾、微濾等膜分離技術(shù)用于飲用水處理工作中，是水處理環(huán)境工程的重要突破，不僅過濾作用強(qiáng)大，還能除去水中納米級顆粒，效果良好，提升了飲用水水質(zhì)。與常規(guī)技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有很大的優(yōu)越性。
近年來，國內(nèi)外尤其是美國和歐洲的城市給水廠處理工藝優(yōu)先選擇超濾和微濾膜技術(shù)。目前，國內(nèi)已有數(shù)座應(yīng)用超濾工藝的水廠凈化規(guī)模在2.0×105m3/d以上，超濾水廠每天的總處理量超過8.0×106m3。許多廠家利用微濾和反滲透膜處理飲用水，能有效去除小顆粒有機(jī)物和懸浮固體。
2.2 煤化工高氨氮廢水處理
與傳統(tǒng)的水處理方法相比，反滲透技術(shù)有以下特點(diǎn)：
（1）在常溫條件下，采用無相變的物理變化對溶質(zhì)和水進(jìn)行分離。
（2）除鹽率和水的回用率高，可截留粒徑幾個納米以上的溶質(zhì)離子。
（3）雜質(zhì)去除范圍廣，可去除溶解性無機(jī)鹽類和其他各類雜質(zhì)。
（4）自動化程度高，操作簡單，運(yùn)行費(fèi)用低，設(shè)備緊湊，占地面積少。
（5）不用大量的化學(xué)藥劑和酸、堿再生處理，化學(xué)廢液及廢酸、堿的排放量大大減少，環(huán)境效益及社會效益好。
溶解在廢水中的無機(jī)鹽類可以利用反滲透技術(shù)來去除，過程中先對高氨氮廢水進(jìn)行預(yù)處理，然后再利用反滲透技術(shù)處理以達(dá)到去除其特征污染物NH4+-N的目的。
水的預(yù)處理、反滲透裝置處理和后處理是反滲透系統(tǒng)的三大部分，根據(jù)反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和反滲透技術(shù)處理其他工業(yè)廢水的實(shí)例，用反滲透技術(shù)處理煤化工高氨氮廢水可采用如下工藝流程：
原水→絮凝劑→多介質(zhì)過濾器→活性炭過濾器→保安過濾器→阻垢劑→高壓泵→RO裝置→混床→回用
在煤化工高氨氮廢水中加入絮凝劑，然后使其進(jìn)入多介質(zhì)過濾器，再流經(jīng)活性炭過濾器?；钚蕴窟^濾器主要是用于吸附廢水中的焦油以及濾除此時(shí)廢水中未除去的有機(jī)物、懸浮物和膠體等，以達(dá)到出水SDI≤3?；钚蕴窟^濾器可避免焦油所引起的RO膜的化學(xué)降解和水中污染物對RO膜的污染，保證膜的正常性能。
保安過濾器的存在可以有效地保證RO膜進(jìn)水的濁度、懸浮物含量和SDI值達(dá)到膜進(jìn)水的相關(guān)要求，保證RO膜的使用效果和增強(qiáng)RO膜的使用壽命。在廢水中可加入阻垢劑以解決廢水中難溶鹽所可能引起的結(jié)垢現(xiàn)象，使系統(tǒng)更好的運(yùn)行。
RO裝置的正常運(yùn)行需要一定的推動力來克服滲透壓等阻力，高壓泵可以提供合適并且充足的進(jìn)水壓力，達(dá)到所需要的產(chǎn)水量。該系統(tǒng)的主要設(shè)備主體是反滲透裝置，利用反滲透膜的選擇透過性來去除NH4+-N和廢水中的其他有機(jī)物、懸浮物等。
煤化工高氨氮廢水經(jīng)過反滲透系統(tǒng)的處理可以有效去除其中所含的各種污染物，并且出水的稀相可以用作鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)充水回用，提高了水資源利用率。
2.3 海水淡化方面
水危機(jī)問題是目前全 各個 和地區(qū)都不能忽視的問題，而膜技術(shù)就是解決此問題的有力工具之一。地球上97%的水資源是海水，海水的淡化處理可以有效地解決目前所面對的水資源危機(jī)。膜分離技術(shù)在海水淡化方面主要有節(jié)能和高脫鹽兩個主題。目前，隨著 經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，膜技術(shù)不斷革新使得反滲透技術(shù)處理海水所需能量不斷減少，并且研發(fā)出各種膜原件以適應(yīng)不同需求。利用膜分離和常規(guī)蒸餾技術(shù)形成的新型膜分離技術(shù)可以在保證較高膜通量的情況下達(dá)到海水淡化的高回收率。另外，基于離子交換膜能選擇性地透過陽離子或者陰離子性質(zhì)的電滲析分離技術(shù)在濃海水制鹽方面得到廣泛應(yīng)用，制得的液體鹽中含有更少的鈣鎂離子。
3 膜分離技術(shù)的應(yīng)用前景
膜分離是新興的、高效的水處理技術(shù)，可以簡便高效地達(dá)到溶液分離濃縮、純水制備、廢水處理與回用等目的。當(dāng)前，研究新型膜材料，研發(fā)低成本的制膜新工藝和性能完備的集成膜分離技術(shù)以及膜分離與傳統(tǒng)分離技術(shù)相結(jié)合的新型分離工藝，將成為未來膜分離技術(shù)的主要研究方向。
4 結(jié)語
隨著技術(shù)不斷發(fā)展，更多新型膜材料的不斷推出，21世紀(jì)的膜分離技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。效率更高、更廉價(jià)且無污染的膜被研制出來，必然會使膜分離技術(shù)在水處理領(lǐng)域得到更加廣泛地應(yīng)用，使眾多企業(yè)獲得更顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。
