基于低壓納濾膜的家用凈水處理工藝研究

關(guān)鍵詞：低壓納濾膜；凈水處理；化學(xué)清洗；恒流平板過濾；濃差極化中圖分類號：TU991.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）05-0108-04DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.031

Abstract： Thereare many safety hazards in the purification processof drinking water.In orderto improvethe safetyof drinking water，reducetheuseof chemical agents，lower theriskofsecondary polution，and enhance theantipollution ability and stabilityof membranes，low pressre nanofiltration membrane technologyis adopted for household water treatment.Byusing aconstant pressure flat platecross flow filtration system and controlling the pre membrane pressure to 0.5 MPa，experiments were conducted toanalyzethe waterpurification efectof lowpressure nanofiltration membranes in diferent seasons.The results showed that inspringandautumn，the removalrates offluoride，microorganisms，and lead compounds by low pressure nanofiltration membranes reached 97.5% ， 96.8% ，and 96.5% ，respectively. In addition， the specificfluxoflow pressure nanofiltration membranes variesslightly indiferent seasons，demonstrating good stabilityand anti polution ability.In terms ofresistance changes，the self resistance increases significantly under winter water sources， reaching O.4N.Theresearch results indicate thatlow pressure nanofiltration membrane technologycan efectivelyremove harmful substances from water，improve water qualitysafety，and demonstrate good stabilityandanti polutionability.

Keywords：low pressure nanofiltration membrane;water treatment;chemical cleaning; constant current plate filtration concentration polarization

隨著生活水平的不斷提高，人們對飲用水質(zhì)量和安全性的關(guān)注日益增加。傳統(tǒng)凈水技術(shù)雖然能夠在一定程度上去除水中的雜質(zhì)和有害物質(zhì)，但使用化學(xué)藥劑進(jìn)行凈水的過程可能會引入新的安全隱患[-2]化學(xué)藥劑在凈水過程中的累積不僅會影響水質(zhì)，還可能對人體健康產(chǎn)生不利影響。因此，需要一種既能有效去除水中的有害物質(zhì)，又能免化學(xué)藥劑帶來的二次污染的凈水技術(shù)。

低壓納濾膜作為一種新型的膜分離技術(shù)，因其獨(dú)特的分離性能和較低的操作壓力，在家用凈水處理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力[3。納濾膜能夠在較低的壓力下有效去除水中的有害物質(zhì)，同時保留水中的有益礦物質(zhì)，是一種綠色、高效的水處理方法。低壓納濾膜技術(shù)的發(fā)展不僅能夠提高飲用水的安全性，還能夠減少化學(xué)藥劑的使用，降低水處理過程的二次污染風(fēng)險。此外，低壓納濾膜技術(shù)的操作簡便，維護(hù)成本低，適合家庭使用，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。為了更好地分析低壓納濾膜技術(shù)的凈水效果，研究通過恒壓平板錯流過濾系統(tǒng)，控制膜前壓力在 0.5MPa 進(jìn)行試驗(yàn)，分析低壓納濾膜在不同季節(jié)的凈水效果。研究的創(chuàng)新性在于利用恒流平板錯流過濾，與傳統(tǒng)凈水技術(shù)相比，該技術(shù)通過化學(xué)清洗控制膜污染，延長了膜的使用壽命。

1低壓納濾凈水處理的工藝流程

低壓納濾裝置通過壓力的變化使得水中的一些物質(zhì)因?yàn)閴毫Χ贿^濾除去[4-5]。膜阻力在一定程度上可以反映膜是否受到污染。膜清洗過程中，膜污染的控制十分必要。因?yàn)榧{濾在實(shí)際的應(yīng)用過程中不會對膜進(jìn)行反沖洗，只有在運(yùn)行結(jié)束時才會使用原水對膜進(jìn)行清洗，因此必須在此過程中嚴(yán)格控制，防止膜污染。化學(xué)清洗通常使用特定的化學(xué)清洗劑來去除膜表面的污垢。這些清洗劑的選擇基于污染物的類型，例如，對于硫酸鈣垢，可以使用硫酸鹽清洗劑進(jìn)行清洗。新膜經(jīng)過一段時間的使用后會受到污染，形成污染膜，此時膜表面會附著大量的有機(jī)物，包括微量有機(jī)物、天然有機(jī)物和陽離子。當(dāng)污染達(dá)到一定程度時，就需要進(jìn)行化學(xué)清洗，清洗過程會清除大部分有機(jī)物，但是無法完全恢復(fù)到新膜的狀態(tài)，最終得到舊膜。如果再次污染，則會成為報廢膜。

自來水經(jīng)過預(yù)處理后，通過微型泵輸送至濾芯，進(jìn)一步去除水中的懸浮物和微生物。水流入凈水箱后，通過納濾膜進(jìn)行過濾，產(chǎn)生凈水和濃水兩個出水。其中，凈水滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而濃水則含有較高濃度的污染物。低壓納濾技術(shù)是一種有效的水處理技術(shù)，其凈水過程主要包括預(yù)處理、膜過濾和后處理3個階段。預(yù)處理階段通常包括預(yù)氧化、混凝、沉淀等步驟，目的是去除水中的懸浮物、微生物和部分有機(jī)物，以減輕膜過濾階段的污染。納濾技術(shù)的優(yōu)勢在于其較低的操作壓力，通常低于 10MPa ，這使得其能耗較傳統(tǒng)的反滲透技術(shù)低。同時，納濾膜的高通量特性也有助于降低水處理成本。此外，納濾技術(shù)在去除水中的微量有機(jī)物、重金屬等方面表現(xiàn)出色，同時能夠保留水中的部分有益礦物質(zhì)，是一種綠色、高效的水處理技術(shù)[]。

2低壓納濾膜應(yīng)用效果分析

研究通過低壓納濾膜過濾自來水中的有害物質(zhì)，降低水的安全隱患。但是，自來水會因?yàn)榈乩砦恢谩夂驙顩r等一些不可預(yù)料的因素造成水中的微生物以及一些化學(xué)成分發(fā)生變化，為了更好地評估低壓納濾膜凈水處理的效果，對其應(yīng)用效果進(jìn)行分析。其中，膜阻力和比通量的變化能夠反映納濾膜的應(yīng)用效果和凈水的性能。不同季節(jié)原水處理后比通量和膜阻力的變化情況如圖1所示。

從圖1（a）可以看出，低壓納膜和高壓納膜的表現(xiàn)優(yōu)于普通濾膜，前兩者降至 0.2% 的時間分別為11、9d，普通濾膜降至最低通量的時間為 5d 。從圖1（b）可以看出，在春秋季節(jié)，普通膜的比通量隨著運(yùn)行時間的變化下降較快，低壓納濾膜膜比通量下降較慢。普通膜在運(yùn)行至10d時比通量降至 0.2% ，低壓納膜在運(yùn)行12d時比通量才降至 0.2% 。從圖1（c）可以看出，在冬季，普通膜的比通量隨著運(yùn)行時間的變化下降最快，低壓納濾膜膜的比通量下降較慢。普通膜在運(yùn)行至4d時比通量就已經(jīng)降至 0.2% ，低壓納膜在運(yùn)行10d時比通量才降至 0.2% 。從圖1（d）可以看出，在不同季節(jié)，納膜和普通濾膜的膜阻力都會發(fā)生變化。春秋季節(jié)水源下，納膜的自身阻力和可逆阻力都相對較低，自身阻力僅占0.13N；夏季水源下，自身阻力變?yōu)?0.15N ，而冬季水源下自身阻力增加的較多，達(dá)到 0.4N 。納膜在不同季節(jié)的比通量和膜阻力變化較小，顯示出比普通濾膜更好的穩(wěn)定性和抗污染能力。這可能是由于納膜的特殊物理和化學(xué)特性，使其在水處理過程中更加高效和耐用。不同季節(jié)自來水中氟化物和鉛化物的去除率隨時間的變化如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，在春秋季節(jié)，氟化物、微生物和鉛化物的去除率隨著時間的推移逐漸增加，其中微生物的去除率最高，達(dá)到 97.5% ，而微生物和鉛化物的去除率分別為 96.8% 和 96.5% 。從圖2（b）可以看出，在夏冬季節(jié)，3種物質(zhì)的去除率隨著時間的變化也有所提升，但相較于春秋季節(jié)較低，氟化物的最高去除率為 95.5% ，鉛化物的最高去除率為

（a）春秋季節(jié)自來水去除率隨時間變化

（b）夏冬季節(jié)自來水去除率隨時間變化

圖1不同季節(jié)原水處理后比通量和膜阻力的變化

圖2不同季節(jié)自來水中氟化物和鉛化物的去除率隨時間的變化

95.3% ，微生物的最高去除率為 95.6% 。造成這種結(jié)果的原因可能與季節(jié)變化對水處理工藝的影響有關(guān)。溫度變化可能會影響化學(xué)反應(yīng)速率和微生物活性，進(jìn)而影響去除率。此外，不同季節(jié)原水水質(zhì)的變化，如有機(jī)物含量和 pH 值的波動，也可能影響混凝劑和消毒劑的效能，導(dǎo)致去除率的變化。不同過濾處理之后自來水中的粒子濃度變化如圖3所示。

（a）運(yùn)用普通過濾時原水中粒子隨時間變化

（b）運(yùn)用納膜過濾時原水中粒子隨時間變化

圖3不同過濾處理之后自來水中的粒子濃度變化

從圖3（a）可以看出，在普通過濾中，鐵和鉻的濃度從 0.045mmol/mL 和 0.04mmol/mL 分別下降到0.028mmol/mL 和 0.031mmol/mL ，而鉛和錳的濃度也呈現(xiàn)類似的下降趨勢。從圖3（b）可以看出，在納膜過濾中，這些粒子的濃度下降更為顯著，鐵和鉻的濃度降至 0.012mmol/mL 和 0.01mmol/mL ，鉛和錳的濃度降至 0.002mmol/mL 和 0.01mmol/mL 。造成這種結(jié)果的原因可能與納膜過濾技術(shù)的特性有關(guān)。納膜過濾具有更高的截留率，能有效去除水中的懸浮顆粒和溶解性粒子。此外，納膜的孔徑較小，對粒子的去除更為徹底。普通過濾雖然也能去除部分粒子，但其孔徑較大，去除效果不如納膜過濾。因此，在相同的運(yùn)行時間內(nèi)，納膜過濾處理后的粒子濃度更低。

3結(jié)論

隨著人們對飲水健康的日益重視，凈水技術(shù)不斷發(fā)展。然而，傳統(tǒng)凈水技術(shù)中使用的化學(xué)藥劑和新材料可能帶來新的安全隱患。本研究提出采用低壓納濾膜技術(shù)處理家用水，以保持水的原始屬性并消除化學(xué)藥劑的影響，從而提供安全可靠的飲用水。結(jié)果顯示，低壓納濾膜能有效去除自來水中的氟化物、微生物和鉛化物，最高的去除率分別達(dá)到 97.5% 、 96.8% 和 96.5% 。此外，低壓納濾膜在不同季節(jié)的比通量和膜阻力變化較小，在春秋季節(jié)，普通膜在運(yùn)行至10d 時比通量降至 0.2% ，納濾膜在運(yùn)行12d時比通量才降至 0.2% 。在冬季，納濾膜在運(yùn)行 10d 時比通量才降至 0.2% 。在粒子濃度的對比試驗(yàn)中，隨著運(yùn)行時間的變化，鉛和錳的濃度降至 0.002mmol/mL 和0.01mmol/mL 。綜上所述，低壓納濾膜技術(shù)能有效去除水中的有害物質(zhì)，提高水質(zhì)安全性，并展現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和抗污染能力。盡管低壓納濾膜表現(xiàn)出色，但傳質(zhì)系數(shù)的計算仍存在困難，在實(shí)際應(yīng)用中，膜表面流態(tài)對傳質(zhì)系數(shù)的影響尚需進(jìn)一步研究。此外，試驗(yàn)未考慮不同水源水質(zhì)變化對納濾膜性能的長期影響。

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