水悟堂|纳滤膜的“昨天今天明天”
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纳滤膜
纳滤介于反滲透和超滤之问，早期被称为“疏松反渗透膜”、“低压反渗透膜”或“致密超滤膜”。
纳滤膜的发展——昨天
纳滤的发展晚于反渗透，其最早的研究始于上世纪70年代末J.E. Cadotte的NS -300膜的研究。业内戏称纳滤膜为“失败的反渗透膜”，原因在于纳滤膜的研究源于反渗透，采用反渗透的制备方法，无法得到符合反渗透要求的膜，制得的膜的孔径（0.5-1nm）大于反渗透、盐截留率低于反渗透，且适宜分离分子大小为纳米级的溶解组分，适逢“纳米”概念正热，美国Film-Tech公司（现为陶氏化学）根据这些特征，将其命名为“纳滤”。
纳滤膜和反渗透膜的基本性能都包括两个方面：物化稳定性和分离透过性。物化稳定性决定膜的作用寿命，包括膜的强度、允许使用压力、温度、pH值等。分离透过性指通量和分离效率两个方面：通量通常表示单位时间内通过单位膜面积的被分离物质的体积；分离效率指膜对溶液脱盐或微粒和某些高分子物质的脱除等，称为脱除率或截留率。
纳滤膜的发展——今天
纳滤膜对二价、多价离子和相对分子量大于200Da的有机物有较高的截留率，在有机物与无机物混合液的浓缩与分离方面，与电渗析、离子交换和传统热蒸发技术相比，纳滤具有无可比拟的脱盐兼具浓缩的优点。
真正的NF融合了两种截留机理：筛分效应和Donnan效应。膜的筛分效应，是指膜孔径为纳米级（10-9m），可以选择性截留分子量大于纳米级孔径的溶质。筛分效应主要选择性截留不带电荷的物质，基于分子量或分子大小和形状（而不管其离子电荷如何）将不同分子量的物质进行选择性分离，如下图所示。
NF膜对溶质的截留分子量
膜的Donnan效应又称为电荷效应，是指带负电的膜与溶液中盐分的阴离子之间的电斥力作用，而选择性截留带有正电荷的多价正离子的渗透，提高脱盐率。NF膜可高度截留（截留率≥96%）多价盐，例如硫酸镁（MgSO4），而不管其进料浓度如何。它也截留一价盐，例如氯化钠，典型截留率在0 ~ 50%之间，取决于进料浓度。
NF具有的特点如下：（1）纳米级孔径：截留分子量在200～1000 Da，选择性分离大于lnm左右的溶解组分。（2）截留效果：二价及以上价位离子＞单价离子，一价盐的脱除率低于90%，二价盐脱除率高于90%。NF对阴离子的截留率顺序为NO3－＜Cl－＜OH－＜SO42－＜CO32－；NF对阳离子的截留率顺序为H+ ＜Na+＜K+ ＜Mg2+＜Ca2+ ＜Cu2+。（3）截留率受离子半径的影响：离子价位相等，离子半径越大，截留率越高，离子价位越高，截留率越高。（4）操作压力低、水通量大，操作压力一般低于10 MPa，回收率高于70%。（5）对疏水型胶体油、蛋白质和其它有机物具有较强的抗污染性。
纳滤膜的发展——明天
NF膜主要的技术特点是低压力、低能耗，常规NF的运行压力在5bar左右，节能效果显著。NF膜对偏硅酸的截留率低，可以保留大部分偏硅酸，从饮用水的角度考虑可以保留有益的矿物质，膜系统的角度考虑，由于没有硅结垢问题，所以系统回收率不受偏硅酸含量的影响；NF膜对碳酸氢根的截留率不高，从饮用水的角度考虑可以保留部分碱度，从膜系统的角度考虑，碳酸钙结构倾向小，系统回收率受LSI影响较小。NF由于结垢问题不易出现，无需或只需要少量的阻垢剂，膜污染压力较轻，化学清洗的频率较低，因此药剂用量少，运行费用低且化学污染排放少，因此NF可以设置较高的系统回收率，一方面提高了水利用率，另一方面减小浓水排放的压力。此外，NF膜出水pH变化小，出水可直接输入市政管网（腐蚀问题），碱度、TDS适当、去除了绝大部分硫酸盐，适当降低了TDS，因此出水口感好。所以，纳滤膜在低分子有机物分级、水质软化、脱盐、深度处理等方面具有独特的优势。
致谢
【本科普内容受“上海市科协科普项目（项目编号：18dz2306700）”和上海市水务海洋局“水务科普年度活动”资助】