不同納濾膜在軟化濃海水性能方面的研究

趙久艾，袁俊生,伍麗娜，劉 杰

（1.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300402；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津300130）

納濾膜具有獨(dú)特的分離特性，其廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)中的各種分離、廢水處理、飲用水制備等領(lǐng)域[1-3]。納濾膜可有效脫除海水中的Ca2+、Mg2+、等易結(jié)垢離子，確定了其在海水預(yù)處理中的重要地位[4]。然而，納濾膜多用于天然海水的研究，以濃海水為原料進(jìn)行納濾軟化處理的研究鮮有報(bào)道[5]。鑒于此，本文將納濾膜用于濃海水軟化過程，考察了不同納濾膜在濃海水軟化方面的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 納濾膜性能參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)選用3 種納濾膜，分別為Dow化學(xué)公司提供的NF270-2540 和Desal 公司提供的DK-2540和DL-2540。

表1 納濾膜性能參數(shù)Tab.1 The performance parameters of Nanofiltration membranes

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)流程見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental flow sheet

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

以鹽度為44500mg·L-1的濃海水為原料，在進(jìn)水流量為300L·h-1，溫度為200C,pH 值為5.70 的條件下，考察操作壓力在0.4～2.0MPa 范圍內(nèi)，3 種納濾膜對(duì)一、二價(jià)離子的分離效果和產(chǎn)水通量。

2 結(jié)果與討論

2.1 透過通量

圖2、3 為3 種納濾膜透過通量和回收率隨操作壓力變化的曲線圖。

圖2 3 支納濾膜的透過通量隨操作壓力的變化Fig.2 Dependence of permeation flux of nanofiltration membranes on operating pressure

從圖2 中可以看出，3 種納濾膜的透過通量均隨著操作壓力的增大而增大。DK 膜透過通量隨著操作壓力的增加呈線性增大，而DL 和NF270 在低壓區(qū)（0.4～1.2MPa）濃差極化影響很小，透過通量也近似線性增大，當(dāng)操作壓力大于1.2MPa 時(shí)，濃差極化影響變強(qiáng)，滲透壓影響變大，此時(shí)高鹽度層成為傳質(zhì)控制層，膜通量增加緩慢。

圖3 3 支納濾膜的回收率隨操作壓力的變化Fig.3 Dependence of recovery of nanofiltration membranes on operating pressure

如圖3 所示，由于進(jìn)水流量一定，隨著操作壓力的增大，單只膜回收率的變化趨勢(shì)與透過通量相同。這3 種納濾膜在濃海水體系中的透過通量之問也有明顯的差別。在相同操作壓力下，NF270 的透過通量最大，DL 膜次之，DK 膜最小。當(dāng)操作壓力位1.2MPa 時(shí)，NF270,DL,DK 的透過通量分別為84.97,68.65,40.61L·h-1; NF270,DL,DK 的回收率分別為29.15%,23.24%,13.60%。在工業(yè)應(yīng)用時(shí)，納濾膜的透過通量越大，單位膜面積的生產(chǎn)效率就越高。

2.2 納濾膜對(duì)Ca2+、Mg2+、的截留率

圖4 3 種納濾膜對(duì)Ca2+的截留率隨操作壓力的變化Fig.4 Dependence of Ca2+rejection of nanofiltration membranes on operating pressure

圖5 3 種納濾膜對(duì)Mg2+的截留率隨操作壓力的變化Fig.5 Dependence of Mg2+rejection of nanofiltration membranes on operating pressure

圖4、5 為3 種納濾膜對(duì)濃海水中Ca2+,Mg2+的截留率均隨著操作壓力的增大而增大，當(dāng)操作壓力升至1.2MPa 時(shí)，達(dá)到峰值，隨后隨著操作壓力的增大，DK,DL 對(duì)Ca2+,Mg2+的截留率逐漸趨于平緩，而NF270 對(duì)Ca2+,Mg2+的截留率出現(xiàn)明顯減小。這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)原料為濃海水，作壓力的增大濃差極化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，膜對(duì)Ca2+,Mg2+的截留率減小。3 種納濾膜對(duì)Ca2+,隨著操M(fèi)g2+的截留率大小有明顯差距。DK 對(duì)Ca2+,Mg2+截留率最大，DL 膜次之，NF270最小。當(dāng)操作壓力為1.2MPa 時(shí)，NF270,DL,DK 對(duì)Ca2+的截留率分別為31.54%,74.46%,83.85%，對(duì)Mg2+的截留率分別為65.05%,95.97%,96.41%。

圖6 3 種納濾膜對(duì)的截留率隨操作壓力的變化Fig.6 Dependence of rejection of nanofiltration membranes on operating pressure

如圖6 所示，可見DL,DK 膜對(duì)Ca2+,Mg2+截留率明顯高于NF270。納濾膜NF270,DK 和DL 對(duì)濃海水中的截留率均可達(dá)到90%以上，從對(duì)截留率角度講，3 種納濾膜都有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

2.3 納濾膜對(duì)Na+、Cl-的截留率

圖7 3 種納濾膜對(duì)Na+的截留率隨操作壓力的變化Fig.7 Dependence of Na+ rejection of nanofiltration

圖8 3 種納濾膜對(duì)Cl-的截留率隨操作壓力的變化Fig.8 Dependence of Cl- rejection of nanofiltration membranes on operating pressure

如圖7、8 所示，隨著操作壓力的增大，納濾膜DK,DL 和NF270 對(duì)Na+,Cl 的截留率均先增加后逐漸趨于定值，只是增加的幅度大小不同。DK 膜受操作壓力影響最為敏感，當(dāng)操作壓力從0.4MPa 增大至1.6MPa 時(shí)，DK 對(duì)Na+的截留率從-2%呈線性增大至14%，對(duì)C1-的截留率從8%增大至22%，繼續(xù)增大操作壓力，Na+,C1-的截留率不再增大；其次為NF270 隨著操作壓力的增大，NF270 對(duì)Na+、Cl-的截留率的增大，當(dāng)操作壓力增大至1.2MPa 時(shí)達(dá)到最大，分別為9%、11%，而后均不再受操作壓力影響；DL 受其影響不大，操作壓力從0.4MPa 增大至2.0MPa，而DL 對(duì)Na+的截留率從-2%緩慢增值4%，對(duì)Cl-的截留率從8%緩慢增大至13%。

2.4 分離系數(shù)的變化

圖9 中K1、K2分別表示鈣離子與鈉離子的分離系數(shù)以及鎂離子與鈉離子的分離系數(shù)，可以看出3支納濾膜分離系數(shù)大小有明顯差別，從大到小順序是:DK＞DL＞NF270。

圖9 分離系數(shù)隨操作壓力的變化Fig.9 Dependence of separation coefficient on operating pressure

由圖9 可以看出，NF270 的分離系數(shù)K1、K2受操作壓力的影響較小，對(duì)Ca2+、Mg2+和Na2+的分離效果差。DK、DL 膜都能對(duì)濃海水中的Ca2+、Mg2+和Na2+進(jìn)行有效分離。DK 膜的分離系數(shù)K1、K2最高可達(dá)6.68、56.78 DL 膜的分離系數(shù)最高可達(dá)5.5、35。

2.5 納濾膜分離性能的比較

圖9 對(duì)本實(shí)驗(yàn)選用的3 種納濾膜的純水透過系數(shù)、透過通量、對(duì)Ca2+,Mg2+、的截留率以及對(duì)Na+、Cl-的截留效果進(jìn)行了比較。

3 結(jié)論

（2）濃海水體系中，操作壓力在0.8～1.4MPa范圍內(nèi)，3 支納濾膜對(duì)Na+的截留率由大到小為：NF270＞DK＞DL，對(duì)Cl-的截留率由大到小為：DK＞DL＞NF270；

（3）濃海水體系中，3 支納濾膜的透過通量由大到小為：NF270＞DL＞DK；

（4）鈣鈉分離系數(shù)K1和鎂鈉分離系數(shù)K2由大到小：DK＞DL＞NF270。

經(jīng)過對(duì)膜分離性能的比較，在濃海水體系中DK、DL 對(duì)一、二價(jià)離子的分離性能優(yōu)于NF270，同時(shí)DL 對(duì)Na+截留率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DK，而透過通量反高于DK。綜合考慮DL 膜更適宜用于濃海水軟化實(shí)驗(yàn)。

［1］侯立安，劉曉芳.納濾水處理應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2010,30（4）:1-7.

［2］Da Xin Wang,Meng Su,zhao-Yang Yu,et al. Separation performance of a nanofiltration membrane influenced by species and concentrationof ions［J］.Desalination,2005,175（2）:219-225.

［3］Jesus Garcia-Aleman,James M Dickson.Permention of mixed-salt solutions with commercial and porefilled nanofiltration membranes:membrane charge inversion phenomena［J］. Journal of Membrane Science,2004,239（2）:163-172.

［4］劉文潔.海水納濾過程研究［D］.天津:天津大學(xué)，2008.

［5］袁俊生,焦亮,劉杰.利用納濾膜軟化濃海水的研究［J］.水處理技術(shù),2012,38（11）:81-83.