不同纳滤膜在软化浓海水性能方面的研究

赵久艾，袁俊生,伍丽娜，刘 杰

（1.天津渤海职业技术学院，天津300402；2.河北工业大学，天津300130）

纳滤膜具有独特的分离特性，其广泛应用于医药工业中的各种分离、废水处理、饮用水制备等领域[1-3]。纳滤膜可有效脱除海水中的Ca2+、Mg2+、等易结垢离子，确定了其在海水预处理中的重要地位[4]。然而，纳滤膜多用于天然海水的研究，以浓海水为原料进行纳滤软化处理的研究鲜有报道[5]。鉴于此，本文将纳滤膜用于浓海水软化过程，考察了不同纳滤膜在浓海水软化方面的性能。

1 实验部分

1.1 纳滤膜性能参数

本实验选用3 种纳滤膜，分别为Dow化学公司提供的NF270-2540 和Desal 公司提供的DK-2540和DL-2540。

表1 纳滤膜性能参数Tab.1 The performance parameters of Nanofiltration membranes

1.2 实验装置

试验流程见图1。

图1 实验流程示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental flow sheet

1.3 实验方法

以盐度为44500mg·L-1的浓海水为原料，在进水流量为300L·h-1，温度为200C,pH 值为5.70 的条件下，考察操作压力在0.4～2.0MPa 范围内，3 种纳滤膜对一、二价离子的分离效果和产水通量。

2 结果与讨论

2.1 透过通量

图2、3 为3 种纳滤膜透过通量和回收率随操作压力变化的曲线图。

图2 3 支纳滤膜的透过通量随操作压力的变化Fig.2 Dependence of permeation flux of nanofiltration membranes on operating pressure

从图2 中可以看出，3 种纳滤膜的透过通量均随着操作压力的增大而增大。DK 膜透过通量随着操作压力的增加呈线性增大，而DL 和NF270 在低压区（0.4～1.2MPa）浓差极化影响很小，透过通量也近似线性增大，当操作压力大于1.2MPa 时，浓差极化影响变强，渗透压影响变大，此时高盐度层成为传质控制层，膜通量增加缓慢。

图3 3 支纳滤膜的回收率随操作压力的变化Fig.3 Dependence of recovery of nanofiltration membranes on operating pressure

如图3 所示，由于进水流量一定，随着操作压力的增大，单只膜回收率的变化趋势与透过通量相同。这3 种纳滤膜在浓海水体系中的透过通量之问也有明显的差别。在相同操作压力下，NF270 的透过通量最大，DL 膜次之，DK 膜最小。当操作压力位1.2MPa 时，NF270,DL,DK 的透过通量分别为84.97,68.65,40.61L·h-1; NF270,DL,DK 的回收率分别为29.15%,23.24%,13.60%。在工业应用时，纳滤膜的透过通量越大，单位膜面积的生产效率就越高。

2.2 纳滤膜对Ca2+、Mg2+、的截留率

图4 3 种纳滤膜对Ca2+的截留率随操作压力的变化Fig.4 Dependence of Ca2+rejection of nanofiltration membranes on operating pressure

图5 3 种纳滤膜对Mg2+的截留率随操作压力的变化Fig.5 Dependence of Mg2+rejection of nanofiltration membranes on operating pressure

图4、5 为3 种纳滤膜对浓海水中Ca2+,Mg2+的截留率均随着操作压力的增大而增大，当操作压力升至1.2MPa 时，达到峰值，随后随着操作压力的增大，DK,DL 对Ca2+,Mg2+的截留率逐渐趋于平缓，而NF270 对Ca2+,Mg2+的截留率出现明显减小。这是因为本实验原料为浓海水，作压力的增大浓差极化现象越来越严重，膜对Ca2+,Mg2+的截留率减小。3 种纳滤膜对Ca2+,随着操Mg2+的截留率大小有明显差距。DK 对Ca2+,Mg2+截留率最大，DL 膜次之，NF270最小。当操作压力为1.2MPa 时，NF270,DL,DK 对Ca2+的截留率分别为31.54%,74.46%,83.85%，对Mg2+的截留率分别为65.05%,95.97%,96.41%。

图6 3 种纳滤膜对的截留率随操作压力的变化Fig.6 Dependence of rejection of nanofiltration membranes on operating pressure

如图6 所示，可见DL,DK 膜对Ca2+,Mg2+截留率明显高于NF270。纳滤膜NF270,DK 和DL 对浓海水中的截留率均可达到90%以上，从对截留率角度讲，3 种纳滤膜都有工业应用价值。

2.3 纳滤膜对Na+、Cl-的截留率

图7 3 种纳滤膜对Na+的截留率随操作压力的变化Fig.7 Dependence of Na+ rejection of nanofiltration

图8 3 种纳滤膜对Cl-的截留率随操作压力的变化Fig.8 Dependence of Cl- rejection of nanofiltration membranes on operating pressure

如图7、8 所示，随着操作压力的增大，纳滤膜DK,DL 和NF270 对Na+,Cl 的截留率均先增加后逐渐趋于定值，只是增加的幅度大小不同。DK 膜受操作压力影响最为敏感，当操作压力从0.4MPa 增大至1.6MPa 时，DK 对Na+的截留率从-2%呈线性增大至14%，对C1-的截留率从8%增大至22%，继续增大操作压力，Na+,C1-的截留率不再增大；其次为NF270 随着操作压力的增大，NF270 对Na+、Cl-的截留率的增大，当操作压力增大至1.2MPa 时达到最大，分别为9%、11%，而后均不再受操作压力影响；DL 受其影响不大，操作压力从0.4MPa 增大至2.0MPa，而DL 对Na+的截留率从-2%缓慢增值4%，对Cl-的截留率从8%缓慢增大至13%。

2.4 分离系数的变化

图9 中K1、K2分别表示钙离子与钠离子的分离系数以及镁离子与钠离子的分离系数，可以看出3支纳滤膜分离系数大小有明显差别，从大到小顺序是:DK＞DL＞NF270。

图9 分离系数随操作压力的变化Fig.9 Dependence of separation coefficient on operating pressure

由图9 可以看出，NF270 的分离系数K1、K2受操作压力的影响较小，对Ca2+、Mg2+和Na2+的分离效果差。DK、DL 膜都能对浓海水中的Ca2+、Mg2+和Na2+进行有效分离。DK 膜的分离系数K1、K2最高可达6.68、56.78 DL 膜的分离系数最高可达5.5、35。

2.5 纳滤膜分离性能的比较

图9 对本实验选用的3 种纳滤膜的纯水透过系数、透过通量、对Ca2+,Mg2+、的截留率以及对Na+、Cl-的截留效果进行了比较。

3 结论

（2）浓海水体系中，操作压力在0.8～1.4MPa范围内，3 支纳滤膜对Na+的截留率由大到小为：NF270＞DK＞DL，对Cl-的截留率由大到小为：DK＞DL＞NF270；

（3）浓海水体系中，3 支纳滤膜的透过通量由大到小为：NF270＞DL＞DK；

（4）钙钠分离系数K1和镁钠分离系数K2由大到小：DK＞DL＞NF270。

经过对膜分离性能的比较，在浓海水体系中DK、DL 对一、二价离子的分离性能优于NF270，同时DL 对Na+截留率要远远小于DK，而透过通量反高于DK。综合考虑DL 膜更适宜用于浓海水软化实验。

［1］侯立安，刘晓芳.纳滤水处理应用研究现状与发展前景［J］.膜科学与技术，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］刘文洁.海水纳滤过程研究［D］.天津:天津大学，2008.

［5］袁俊生,焦亮,刘杰.利用纳滤膜软化浓海水的研究［J］.水处理技术,2012,38（11）:81-83.