聚醚砜中空纖維納濾膜應用與水質分析

李子靖LI Zi-jing；李劍LI Jian；李健LI Jian；申振裕SHEN Zhen-yu

（北京匯天運維技術服務有限責任公司，北京 102400）

0 引言

隨著人類對水質要求的日益增高及環境的不斷惡化，高效節能成為當今生產生活的主題，整個水處理系統都處在逆水行舟不進則退的情形下，而作為其把門關的過濾工藝更加如此。從十九世紀初的第一座慢濾池至今近200 年間，時代不斷發展，涌現出各式各樣的過濾工藝。隨著膜分離技術的快速發展，可以更好地滿足新的飲用水質標準，在應對水體中存在的眾多有機污染物等方面有著更好的應用前景。同時在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上，習總書記提出力爭2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和的“雙碳”行動，低廢水率、低運行壓力，高效節能的中空纖維納濾膜過濾應用而生。

1 納濾膜應用

納濾膜在飲用水凈化方面的應用，在日本、美國、法國等發達國家已有較大規模應用實例，如1999 年投運的法國巴黎里奧塞水廠，用納濾膜系統日產水量14 萬t，是世界上第一個大型納濾膜凈水系統。但在國內發展起步較晚，2006 年，哈爾濱工業大學教授李圭白院士在世界水大會上提出第三代城市飲用水凈化工藝，指出膜技術在水廠的飲用水處理中會有重大的發展前景，納濾技術在國內的發展有了較大的突破。隨著人們生活品質的提升，大家對健康水的需求愈發強烈，納濾技術逐步取代反滲透技術成為飲用水凈水方面的主流工藝。國家出臺的《中小學膜處理飲水設備技術要求和配備規范》和四部聯合印發《營養與健康學校建設指南》均提到推薦使用納濾工藝。

納濾膜共分為中空纖維納濾膜、卷式納濾膜、管式納濾膜以及板式納濾膜，中空纖維和卷式膜組件的填充密度高，造價低，組件內流體力學條件好；但是這兩種膜組件的制造技術要求高，密封困難，使用中抗污染能力差，對料液預處理要求高，主要應用于高品質飲用水方向。板框式和管式膜組件雖然清洗方便、耐污染，但膜的填充密度低、屬于死端過濾，主要應用于市政水處理方向。

在飲用水處理方面應用方面，納濾膜較反滲透技術在生活飲用水上應用具有一定優勢。反滲透膜和卷式納濾膜裝置需高壓產水、死端過濾、水通量低、廢水排放量高、耗能高，同時卷式納濾膜耐壓力但不耐污染，死端過濾，產生廢水量大，存在二次污染的風險，頻繁換芯導致設備造價高和運行成本高。

2 聚醚砜中空纖維納濾膜

2.1 材質

納濾膜材質選用有機高分子材料，通常包括子酸纖維素（CA）類、芳香族聚酰胺類、聚砜類、新型有機高分子類等。乙酸纖維素是研究最早的納濾膜材料，具有價格低廉、成膜形成好等特點，但同時也存在耐酸堿性差、易水解等問題。芳香族聚酰胺納濾膜是安類水相單體和酰氯類有機相單體在超濾膜表面聚合生成的一中復合膜，其結構中的多共軛體系和氫鍵的作用使得該類膜具有良好的耐受性和親水性，彌補了醋酸纖維素的部分不足。聚砜材質材料的具有良好的物理化學穩定性和力學能力，在制備過程中，聚砜、聚醚砜、聚苯砜等材料的使用頻率較高。

2.2 結構

聚醚砜中空纖維納濾膜，采用非對稱結構，由雙層聚醚砜材質構成，一層主要作用是撐起膜的主體結構，增強機械強度等級，同時起到“粗濾”作用；二層主要其起分離作用，通過涂加改性材料來改善納濾膜的選擇滲透性，增強膜的親水性，從而細化過濾效果。

中空纖維納濾過濾組件是由許多根細長中空纖維納濾膜組成，每根中空纖維納米級分離膜的膜壁為雙皮層，如圖1 所示，膜表面有無數均勻分布的細小孔徑，孔徑尺寸在1-10nm。該孔徑范圍對水中雜質具有很好的篩分作用，在水流作用下，水中的膠體、雜質、高分子有機物被截留在膜外，水中的離子可以正常通過，使得出水含有一定人體所需微量元素和礦物質，同時去除水質有害物質。

2.3 過濾形態

死端過濾即傳統的板框過濾、硅藻土過濾、濾芯過濾，是將原水置于膜的上游，在壓力差的推動下，水和小于膜孔的顆粒透過膜，大于膜孔的顆粒則被膜截留。形成壓差的方式可以是在水側加壓，也可以是在濾出液側抽真空。死端過濾隨著過濾時間的延長，被截留顆粒將在膜表面形成污染層，使過濾阻力增加，在操作壓力不變的情況下，膜的過濾透過率將下降。因此，死端過濾只能間歇進行，必須周期性地清除膜表面的污染物層或更換膜。

聚醚砜中空纖維納濾采用錯流過濾，如圖2 所示，水流在膜表面產生兩個分力，一個是垂直于膜面的法向力，使水分子透過膜面，另一種是平行于膜面的切向力，把膜面的截留物沖刷掉。錯流過濾透過率下降時，只要設法降低膜面的法向力、提高膜面的切向力，就可以對膜進行有效清洗，使膜恢復原有性能。因此，錯流過濾的濾膜表面不易產生濃差極化現象和結垢問題，過濾透過率衰減較慢。錯流過濾的運行方式比較靈活，既可以間歇運行，又可以實現連續運行。

3 水質對比

世界衛生組織制定的飲水標準，可把健康水總結為：不含任何對人體有害及有異味的物質，滲透力、溶解力、代謝力及水活性高，含有人體所需礦物質，pH 值呈弱堿性。美國著名水專家馬丁福克斯在他的著作《健康的水》中，明確指出健康水的標準：有一定的硬度與溶解性總固體，pH值偏堿性相比較中空纖維納濾膜與反滲透膜水質對比，反滲透凈水裝置出水是安全水、純凈水，但不含有身體所需微量元素和礦物質，其技術主要應用在工業和實驗室用水中，一般不用在直飲水凈化。同時還存在著需要高壓泵，加電，頻繁換芯，死端過濾，產生大量廢水（1∶1），還會出現二次污染的風險。同時經過反滲透膜凈水器凈化過后的水，礦物質元素明顯減少或沒了，所以具有極強的溶解礦物質、微量元素的能力。尤其是兒童大量飲用純凈水后，體內原有的微量元素和營養物質，就會迅速地溶解于水中，然后排除體外，長期還可能會造成血鉛超標，還會讓孩子體內的營養物質失去平衡，出現健康赤字，對兒童的神經發育、機體代謝、免疫功能等潛在負面影響。

聚醚砜中空纖維納濾的特點，較超濾膜水質更加具有安全保障，和反滲透膜相比保留了人體所需微量元素和礦物質，水質更加健康，如表1、表2 所示。

表1 不同膜濾后水質對比表

表2 聚醚砜中空纖維納濾膜濾后水質與標準對比表

4 應用

以滄州市某小區高品質飲用水小區106 項水質檢測報告為分析對象，該項目采用同程循環供水，工藝流程為：石英砂→活性炭→鈉離子樹脂交換→中空纖維納濾過濾→紫外線消毒→椰殼活性炭，凈水前水質取自管網市政水，凈水后水質取自經過一整套設備（包括預處理、納濾、消毒）后的水。

①凈水后數值較凈水前數值上升的所有指標及原因分析，如表3 所示。

表3 凈水后數值較凈水前數值上升的所有指標及原因分析

②不同價態離子對比情況，如表4 所示。

表4 不同價態離子對比情況

③重點指標對比情況，如表5 所示。

表5 重點指標對比情況

5 總結分析

①聚醚砜中空纖維納濾采用雙層聚醚砜材質、中空纖維技術、錯流過濾，出水水質全部滿足國家《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2022）106 項水質檢測標準，同時滿足國家《飲用凈水水質標準》（CJ94-2005）水質檢測標準，說明該處理工藝滿足凈水要求。

②出水pH 值上升，說明在納濾膜帶負電荷作用和電離平衡作用下對pH 有一定影響，可適當提升出水pH，適合人體飲用弱堿性水。

③總鹽去除率理論上與總硬度（Ca2+、Mg2+）去除率相仿，但實際總鹽去除率低，總硬度去除率高，說明工藝對硬度的去除主要靠軟化設備，聚醚砜中空纖維納濾膜不會完全去除水中鈣鎂離子。

④聚醚砜中空纖維納濾工藝可以很好區別反滲透工藝，各項出水指標也能滿足標準要求，不僅可以去除水中殘留的微量化學物質（如農藥、殺蟲劑等）和消毒副產物（三鹵甲烷、鹵乙酸等），截留水中藻類、細菌及病原微生物以保證生物安全性，去除重金屬等有害的多價離子，還能保留水中對人體健康有益的微量元素和礦物質，能夠在水源水質波動和應急性條件下保證最終供水水質的穩定，滿足不同水源條件下的用水需求。