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【中國環保在線 學術論文】作為一種新型高效、精密分離技術，膜分離技術在廢水處理領域被廣泛應用。水體污染嚴峻性不斷加重的背景下，膜分離將擁有廣闊的發展前景。
隨著我國工業化和城市化的發展，大量的生活和工業廢水排入水體，這些廢水中多含有不同濃度的化學成分，造成了嚴重的水體污染，為保護環境，使其不受污染，并能回收一些有用物質，在工業和城市廢水排放之前必須進行凈化處理。膜分離技術是一種新型高效、精密分離技術，它是材料科學與介質分離技術交叉結合形成的一門技術，具有高效分離、設備簡單、節能、常溫操作、無污染等優點，廣泛應用于工業領域眾多行業，據統計，全球膜銷售額每年以14%30%的速度增長。膜分離在廢水處理中已得到了廣泛的應用，并將會成為主要的先進廢水處理技術，有著廣闊的發展前景。
1正向滲透膜技術
1.1正向滲透(FO)的原理
用只能透過溶劑而不能透過溶質分子的半透膜將溶劑和溶液隔開，溶劑分子將在滲透壓的作用下自發地從溶劑側透過膜進入溶液側，這就是滲透現象，也即所謂的正向滲透。正向滲透膜分離工藝的流程見圖1。
1.2正向滲透膜在水處理中的應用
1.2.1海水淡化
FO用于海水淡化是其研究最為廣泛的領域之一。早期的應用研究主要見于一些專利中，但這些研究大都不成熟，可行性不高。
1.2.2工業廢水處理
早期有研究報道了FO膜用于低濃度重金屬廢水的處理，但由于其采用的RO(反滲透)膜污染嚴重，通量下降迅速，因而未得到深入開展。
1.2.3垃圾滲濾液處理
美國俄勒岡州科瓦利斯市的CoffinButte垃圾填埋場每年可產生(2-4)×104m3的垃圾滲濾液，為達到土地利用的水質標準，必須將出水的TDS降到100mg/L以下。
2反滲透膜技術
2.1反滲透(RO)的原理
反滲透是一種以壓力為推動力的膜分離過程在使用中為產生反滲透壓需用水泵給含鹽水溶液或廢水施加壓力以克服自然滲透壓及膜的阻力使水透過反滲透膜,，將水中溶解鹽或污染雜質阻止在反滲透膜的另一側其原理詳見圖2
2.2反滲透膜在水處理中的應用
2.2.1反滲透膜在水處理方面的常規應用
水是人們賴以生存和進行生產活動必不可少的物質條件。由于淡水資源日益缺乏，世界上反滲透水處理裝置的能力已達到每天數百萬噸。
2.2.2反滲透膜在城市污水方面的應用
目前，反滲透膜在城市污水深度處理方面的應用尤其是污水處理廠二級出水回用及中水回用等，已受到高度重視。
2.2.3反滲透膜在重金屬廢水處理方面的應用
含重金屬離子廢水的常規處理方法都只是一種污染轉移,即將廢水中溶解的重金屬轉化成沉淀或更加易于處理的形式，其最終處置常常是進行填埋，而重金屬對地下水和地表水環境造成二次污染的危害依然長期存在。
2.2.4反滲透膜在含油廢水方面的應用
含油廢水是一種量大面廣的工業廢水，若直接排入水體，會在水體表層產生油膜阻礙氧氣溶入水中從而致使水中缺氧、生物死亡、發出惡臭，嚴重污染生態環境。油3.5mg/L、總有機碳(TOC)(16~23)mg/L的油田采出水處理到鍋爐用水水質于是處理后的水回用于電站鍋爐給水。
3微濾和超濾膜技術
3.1超濾(UF)和微濾(MF)的基本原理
超濾和微濾都是在靜壓差的推動力作用下進行液相分離的過程，從原理上說并沒有什么本質上的差別，同為篩孔分離過程。在一定壓力作用下，當含有高分子的溶質和低分子溶質的混合溶液流過膜表面時，溶劑和小于膜孔的低分子溶質(如無機鹽)透過膜，成為滲液被搜集;大于膜孔的高分子溶質(如有機膠體)則被膜截留而作為濃縮液回收。能截留分子量500以上、106以下分子的膜分離過程稱為超濾;只能截留更大分子(通常被稱為分散顆粒)的膜分離過程稱為微濾。
3.2超濾和微濾膜的應用
超濾、微濾技術可以有效去除顆粒狀物質，包括微生物，如隱胞蟲子、賈第蟲、細菌和病毒。還可通過一定程度地降低消毒副產物前體物的濃度和限制消毒過程中氧化劑需求量來減少消毒副產物。但對水中有機物的去除率很低，僅在20%以下。超濾和微濾的使用范圍比較廣，能夠適用于處理不同的水質量。
4納濾膜技術
4.1納濾(NF)原理
納濾(NF)是一種新型分子級膜分離技術，是目前世界膜分離領域研究的熱點之一。NF膜孔徑在1nm以上，一般在1-2nm;對溶質的截留性能介于RO與UF膜之間;RO膜幾乎對所有的溶質都有很高的脫除率，但NF膜只對特定的溶質具有高脫除率。NF膜能夠去除二價、三價離子，Mn200的有機物，以及微生物、膠體、熱源、病毒等。納濾膜的一個很大特征是膜本體帶有電荷，這是它在很低壓力下(僅0.5MPa)仍具有較高脫鹽性能和截留分子量為數百的膜也可脫除無機鹽的重要原因，也是NF運行成本較低的主要原因。NF適合各種含鹽水源，水利用率一般為75%~85%，海水淡化時在30%~50%，沒有酸堿廢水排放。
4.2納濾膜在水處理中的應用
4.2.1納濾膜在飲用水中的應用
納濾操作壓力小，是飲用水制備和深度凈化的首選工藝。
目前，大多數城市的給水水源均受到不同程度的污染，而自來水廠的常規處理工藝對水中有機物去除率不高，當采用氯殺菌消毒時，氯又會與水中的有機物會生成鹵代副產物。Peltier等4年的跟蹤研究表明：采用納濾系統后水中的DOC降低到平均0.7mgC/L，出水余氯的含量由0.35mg/L降到0.1mg/L，最終網線中三鹵甲烷(THMs)的形成比未采用納濾系統時減少了50%。另外，由于生物降解型溶解有機碳(BCOD)的減少，改進了產水的生物穩定性。
納濾技術能夠去除絕大部分的Ca、Mg等離子，因此脫鹽(desalination)是納濾技術應用最多的領域。膜法水處理技術在投資、操作和維修及價格等方面與常規的石灰軟化和離子交換過程相近，但具有無污泥、不需再生、完全除去懸浮物和有機物、操作簡便和占地省等優點，應用實例較多。納濾可以直接用于地下水、地表水和廢水的軟化，還可以作為反滲透(Reverse osmosis，RO)、太陽能光伏脫鹽裝置(Photovoltaic powered desalination system)等的預處理。
4.2.2納濾膜在海水淡化中的應用
海水淡化是指將含鹽量為35000mg/L的海水淡化至500mg/L以下的飲用水。
4.2.3納濾膜在廢水處理中的應用
4.2.3.1生活污水
生活污水一般用生物降解/化學氧化法結合處理，但氧化劑的用量太大，殘留物多。薛罡等采用微絮凝纖維球過濾.超濾.納濾組合工藝對賓館洗浴廢水進行了小試試驗。超濾出水水質可達到回用至賓館廁所沖洗、綠化等環節的用水要求，納濾出水水質可達到生活飲用水衛生標準(GB5749.85)，可以回用至賓館洗衣、洗浴等用水要求更高的環節。
4.2.3.2紡織、印染廢水
紡織廢水中含有的染料很難用生物的方法去除，Hassani研究了酸性、活性、直接和分散染料水溶液的濃度、壓力、總溶解性固體和無機鹽含量等對納濾膜截留性能的影響。
4.2.3.3制革廢水
制革廢水含有高濃度的有機物、硫酸鹽和氯化物，酸洗工序的廢液電導值達到75mS/cm。Bes-Pia采用NF技術回收了制革廢水，所得到的高濃度硫酸鹽濃水回到酸洗段，而氯化物的產水打回裂化反應鼓，簡單操作流程如圖4。
4.2.3.4電鍍廢水
電鍍工廠往往產生大量廢液，盡管采取酸化、化學無害化、沉降和分離污泥等復雜處理步驟，產水含鹽量高，不能重新回用。
4.2.3.5造紙廢水
在紙漿和造紙業中，勻漿、漂白和造紙等工序都需要大量的水。實現水系統的(半)密閉循環是紙漿廠、造紙廠節約水資源降低排放量的最佳途徑。傳統活性污泥法的產水中還含有部分有色化合物、微生物、抗體和少量的生物分解物，懸浮固體等，僅能被用于制造包裝紙，不能用于更高級別紙的生產。另外，該法不能減少無機鹽的含量。Koyuncu對比了水→納濾以及造紙廢水→活性污泥→納濾兩種處理工藝的實用性，實驗表明：兩種方法的出水質量相似，第二種方法的產水通量更好，出水可以用于高級別紙。但納濾產水仍然含有一定量的一價鹽，需要再增加低壓反滲透裝置脫除鹽類才能保證循環水的質量。
5滲析和電滲析
5.1滲析
滲析(Dialysis，簡稱D)是溶質在自身的濃度梯度作用下，從膜的上游傳向膜的下游的過程。
滲析是最早被發現并研究的膜分離技術，但因為受到本身體系的限制，滲析過程進行緩慢，效率低下，滲析過程的選擇性不高，因此滲析過程主要用于脫除含有多種溶質溶液中的低分子量組分，如血液滲析，即以滲析膜代替腎來去除尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸等有毒的低分子量組分，以緩解腎衰竭和尿毒癥患者的病情。
5.2電滲析
電滲析(Electrodialysis，簡稱ED)是在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜對溶液中的陰陽離子的選擇性，把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶液的濃縮、淡化、精制和提純。
6雙極膜技術
6.1雙極膜介紹
雙極膜(BPM)是一種新膜，通常是由陰離子交換層、陽離子交換層復合而成的一種復合型離子交換膜，也可以在陰膜、陽膜之間加入第三層物質促進水的解離，成為陰離子交換層、陽離子交換層、中間反應層構成的三層結構。在直流電場的作用下，雙極膜可以將水解離，在陽膜、陰膜兩側分別產生H 和OH-。
6.2雙極膜的應用
6.2.1含氟廢液的處理及有價氟的回收
在氟碳工業及鈾工業(UF6)的生產中，排放的廢氣廢水中含有的氟和有機酸的質量分數是50～500×10-6，通常需要用KOH中和才能完全除去，結果生成的KF溶液含有許多重金屬(如鈾、砷等)和微量放射性物質，還需用Ca(OH)2與KF反應再生KOH并生成不溶性的廢料。這種方法導致有價氟的損失，且給用戶留下如何處理含放射性物質的Ca(OH)2廢料問題，如果采用雙極膜電滲離解技術可直接將KF轉化為HF和KOH，不僅能回收高價值的氟，且可避免石灰的使用，并減少廢渣的處理量。
6.2.2雙極膜用于酸、堿廢液的凈化和回收
工業生產會產生很多酸堿廢液，如離子交換樹脂再生廢液、酸洗廢液、鉛蓄電池廢液、造紙廠廢液等。為減輕對環境的污染，這些廢液必須經過必要的處理才能排放，但處理工藝復雜，資金耗費大。雙極膜電滲析工藝為這類廢液的處理提供了一種很好的解決辦法。1986年我國在浙江省郵電印刷廠安裝了一套電滲析和離子交換聯合設備，用于處理含銅廢水，經處理后的廢水含銅量為100mg/L，pH值為6～7，達到允許排放的標準。
6.2.3生活污水處理
生活污水一般用生物降解/化學氧化法結合處理，但氧化劑的用量太大，殘留物多。若在它們之間加上納濾環節，使能被微生物降解的小分子(相對分子質量<100)透過，而截留住不能被微生物降解的大分子(相對分子質量>100)。大分子物質經化學氧化器處理后再進行生物降解，這樣就可充分利用生物降解性，節約氧化劑和活性炭用量，降低最終殘留物含量。
6.2.4飲用水凈化
隨著水污染加劇，人們對飲用水水質越來越關心。試驗證明，雙極膜納濾法可以去除消毒過程中產生的微毒副產物、痕量的除草劑、殺蟲劑、重金屬、天然有機物及硬度、硫酸鹽及硝酸鹽等。同時具有處理水質好且穩定、化學藥劑用量少、占地少、節能、易于管理和維護的優點。
6.2.5含重金屬廢水的處理
在電鍍加工和合金生產中，經常需用大量水沖洗，這些清洗水含有濃度相當高的重金屬，有鎳、鐵、銅和鋅等。為了使這些含重金屬的廢水符合排放要求，一般的措施是將這些重金屬處理成氫氧化物沉淀除去。如果采用納濾膜技術，不僅可以回收90%以上的廢水，使之純化，同時使重金屬離子含量濃縮10倍，濃縮后的重金屬具有回收利用的價值。
6.2.6食品工業廢水處理
1998年張偉等利用N-P型復合納濾膜對豆腐廢水進行處理。實驗結果表明，N-P型復合雙極納濾膜對一價鹽和二價鹽有著明顯的分離作用，顯著降低廢水中的COD含量，達到環保要求。
6.2.7雙極膜展望
雙極膜作為一種新型膜，以其獨特的優點，為解決環境工程中存在已久的一些技術難題提供了許多新的思路和解決辦法。繼續開發高性能的雙極膜，改進膜的制備工藝，降低膜的生產成本，深入開展機理研究，研究膜中離子遷移及水傳遞的機理，研究高性能雙極膜材料及制備，拓寬應用領域，具有深遠的意義。
