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摘要：由于某水源的原水中的暂时硬度达到220mg/L，会产生沉淀。简单的超滤不可能去除无机盐，反渗透膜有会把绝大部分无机盐去除，所以使用纳滤膜来做实验，分析纳滤膜对总硬度及阳离子Ca2+、Mg2+、Sr2+和阴离子HCO3-、F-的去除效果和规律。
1 实验装置与实验方法
1.1 实验装置
纳滤膜实验装置由济宁新格瑞水处理有限公司提供，纳滤膜采用美国陶氏NF270-400型膜一只，实际运行压力在0.5～0.9 MPa之间不等。
1.2 实验方法
进水采用超滤后水，进膜压力为0.5MPa -0.9MPa之间，从0.5MPa开始，稳定运行两小时后依次升高0.1MPa，每个压力下稳定运行1小时后品控部取样，以后每小时取一次样品，每个压力取样两次，同时取纳滤前水样做对比实验。品控部对每个样品进行PH值、电导率、总硬度、总碱度、钙、镁、重碳酸盐的检验。同时把超滤水和0.7MPa进膜压力的纳滤后水样送检，检测锶和氟的含量。
2 结果和讨论
2.1 纳滤膜对矿物质的去除效果
纳滤膜对不同地区水中矿物质总量均有相当的去除作用，但去除率(用电导率表示)不稳定，去除率集中在50%左右，并随进膜的压力升高而升高，随原水电导率的增加，离子去除率总体呈降低趋势，如表1所示。
表1 纳滤膜对水中矿物质的去除效果
井号 | 项目 | 0.5MPa | 0.6MPa | 0.7MPa | 0.8MPa | 0.9MPa | ||||||
新井 | 电导率us/cm | 超滤水 | 705 | 709 | 708 | 702 | 695 | 692 | 693 | 696 | 699 | 697 |
纳滤水 | 370 | 364 | 353 | 351 | 338 | 339 | 328 | 325 | 322 | 323 | ||
去除率 | 47.5 | 48.7 | 50.1 | 50.0 | 51.4 | 51.0 | 52.7 | 53.3 | 53.9 | 53.6 | ||
老井 | 电导率us/cm | 超滤水 | 722 | 733 | 733 | 728 | 725 | 730 | 730 | 730 | 730 | 731 |
纳滤水 | 482 | 408 | 376 | 376 | 354 | 353 | 346 | 346 | 340 | 340 | ||
去除率 | 33.3 | 44.3 | 48.7 | 48.1 | 51.2 | 51.6 | 52.6 | 52.6 | 53.4 | 53.5 | ||
有关资料表明，截留率与浓度的这种相关性与道南平衡和迁移离子的屏蔽作用有关。进料溶液中的离子浓度越高，其在膜微孔中的浓度也越高，因此终在渗透物中的浓度也越高。同时，对负电荷的纳滤膜孔壁，正离子被富集在孔壁附近，使得孔内负的固定离子受到这种富集分布的屏蔽。这样，随着进料浓度的增加，电荷屏蔽作用增强，更多的阴离子可能从膜中透过，导致膜的截留率下降。
2.2 纳滤膜对总硬度及阳离子的去除效果
纳滤膜对水中总硬度及钙离子、镁离子的去除效果见表2。
井号 | 项目 | 0.5MPa | 0.6MPa | 0.7MPa | 0.8MPa | 0.9MPa | ||||||
新井 | 总硬度 mg/L | 超滤水 | 360.3 | 354.3 | 348.3 | 350.3 | 348.3 | 338.3 | 346.3 | 348.3 | 348.3 | 342.3 |
纳滤水 | 146.8 | 146.8 | 154.1 | 156.1 | 154.1 | 154.1 | 140.1 | 146.1 | 138.1 | 136.1 | ||
去除率 | 59.3 | 58.6 | 55.8 | 55.4 | 55，8 | 54，4 | 59.5 | 58.1 | 60.4 | 60.2 | ||
钙 mg/L | 超滤水 | 101.8 | 105 | 100.2 | 96.2 | 96.5 | 95.7 | 100.2 | 98.6 | 97.0 | 103.4 | |
纳滤水 | 44.9 | 44.1 | 42.5 | 44.1 | 40.1 | 44.1 | 44.1 | 43.3 | 38.5 | 42.5 | ||
去除率 | 55.9 | 58.0 | 57.6 | 54.2 | 58.4 | 53.9 | 56.0 | 56.0 | 60.3 | 58.9 | ||
镁 mg/L | 超滤水 | 27.7 | 24.3 | 25.3 | 24.3 | 20.1 | 22.0 | 27.2 | 22.4 | 24.3 | 25.3 | |
纳滤水 | 11.7 | 11.7 | 12.6 | 12.6 | 11.2 | 10.7 | 9.72 | 10.2 | 11.2 | 11.2 | ||
去除率 | 57.8 | 51.9 | 50.2 | 48.2 | 44.3 | 51.4 | 64.3 | 54.5 | 53.9 | 55.7 | ||
老井 | 总硬度us/cm | 超滤水 | 346.3 | 364.3 | 350.3 | 348.3 | 358.3 | 340.3 | 342.3 | 344.3 | 362.3 | 346.3 |
纳滤水 | 160.1 | 162.1 | 156.1 | 148.1 | 142.1 | 146.1 | 140.1 | 138.1 | 144.1 | 140.1 | ||
去除率 | 53.8 | 55.5 | 55.4 | 57.5 | 60.3 | 57.1 | 59.1 | 59.9 | 60.2 | 59.5 | ||
钙 mg/L | 超滤水 | 108.2 | 109.8 | 106.6 | 110.6 | 115.4 | 107.4 | 109.0 | 125.1 | 113.0 | 121.0 | |
纳滤水 | 65.0 | 71.3 | 57.0 | 51.3 | 43.3 | 48.1 | 55.3 | 48.9 | 42.5 | 43.3 | ||
去除率 | 40.0 | 35.1 | 46.5 | 53.6 | 62.5 | 55.2 | 49.3 | 60.1 | 62.4 | 64.2 | ||
镁 mg/L | 超滤水 | 18.5 | 19.0 | 18.0 | 17.0 | 16.5 | 19.0 | 15.6 | 11.8 | 15.1 | 17.0 | |
纳滤水 | 11.2 | 7.3 | 3.27 | 6.1 | 7.5 | 5.1 | -- | 5.1 | 7.9 | 6.5 | ||
去除率 | 39.5 | 61.6 | 71.8 | 64.1 | 54.5 | 73.2 | -- | 56.8 | 47.7 | 61.8 | ||
纳滤膜对总硬度和对阳离子的去除率波动很大，特别是镁比钙、总硬度的去除率波动更大，从33%～73.2%不等。纳滤膜对总硬度、钙离子的去除率大部分在50%～60%、40%～60%之间，且随着进压得升高而有升高的趋势。
2.3 纳滤膜对总碱度及阴离子的去除效果
纳滤膜对总碱度、碳酸氢根离子的去除效果见表3。
井号 | 项目 | 0.5MPa | 0.6MPa | 0.7MPa | 0.8MPa | 0.9MPa | ||||||
新井 | 总碱度 mg/L | 超滤水 | 220.1 | 224.9 | 210.5 | 215.3 | 215.3 | 224.9 | 229.6 | 224.8 | 210.5 | 215.3 |
纳滤水 | 110.0 | 114.8 | 110.0 | 100.5 | 100.5 | 95.7 | 95.7 | 95.7 | 100.5 | 95.7 | ||
去除率 | 50.0 | 49.0 | 47.7 | 53.3 | 53.3 | 57.4 | 57.3 | 57.4 | 52.3 | 55.6 | ||
HCO3- mg/L | 超滤水 | 268.3 | 274.2 | 256.7 | 262.5 | 262.5 | 274.2 | 256.7 | 274.2 | 256.7 | 262.5 | |
纳滤水 | 134.2 | 140.0 | 134.2 | 122.5 | 122.5 | 116.7 | 116.7 | 116.7 | 122.5 | 116.7 | ||
去除率 | 50.0 | 48.9 | 47.7 | 53.3 | 53.3 | 57.4 | 54.5 | 57.4 | 52.3 | 55.5 | ||
老井 | 总碱度us/cm | 超滤水 | 210.5 | 215.3 | 220.1 | 210.5 | 215.3 | 215.3 | 210.5 | 208.1 | 212.9 | 210.5 |
纳滤水 | 153.1 | 114.8 | 100.5 | 100.5 | 86.1 | 90.9 | 90.9 | 86.1 | 86.1 | 90.9 | ||
去除率 | 27.3 | 46.7 | 54.3 | 52.3 | 60.0 | 57.8 | 56.8 | 58.6 | 59.6 | 56.8 | ||
HCO3- mg/L | 超滤水 | 256.7 | 262.5 | 268.3 | 256.7 | 262.5 | 262.5 | 256.7 | 253.4 | 259.6 | 256.7 | |
纳滤水 | 186.7 | 140.0 | 122.5 | 122.5 | 105.0 | 110.8 | 110.8 | 105.0 | 105.0 | 110.8 | ||
去除率 | 27.3 | 46.7 | 54.3 | 52.3 | 60.0 | 57.8 | 56.8 | 58.6 | 59.6 | 56.8 | ||
纳滤膜对总碱度、碳酸氢根离子有较好的去除率，但去除率与进水中相应离子的浓度大小之间无明显差异，但随进膜的压力的升高，去除率有上升的趋势。同一水样和同一压力条件下，总碱度、碳酸氢根离子的去除率基本一样，纳滤膜对总碱度、碳酸氢根离子的去除率在45%-60%之间在。
2.4 纳滤膜对PH值的影响
纳滤膜对PH值的影响，结果见表4。
井号 | 项目 | 0.5MPa | 0.6MPa | 0.7MPa | 0.8MPa | 0.9MPa | ||||||
新井 | PH值 | 超滤水 | 7.56 | 7.88 | 7.84 | 7.93 | 7.93 | 7.93 | 7.86 | 7.88 | 7.87 | 7.88 |
纳滤水 | 7.58 | 7.49 | 7.48 | 7.46 | 7.45 | 7.45 | 7.43 | 7.46 | 7.42 | 7.43 | ||
降低 | -0.02 | 0.39 | 0.36 | 0.47 | 0.48 | 0.48 | 0.43 | 0.42 | 0.45 | 0.45 | ||
老井 | PH值 | 超滤水 | 7.79 | 7.85 | 7.86 | 7.83 | 7.88 | 7.84 | 7.87 | 7.84 | 7.86 | 7.81 |
纳滤水 | 7.76 | 7.79 | 7.64 | 7.63 | 7.62 | 7.61 | 7.58 | 7.56 | 7.57 | 7.56 | ||
降低 | 0.03 | 0.06 | 0.22 | 0.2 | 0.26 | 0.23 | 0.29 | 0.28 | 0.29 | 0.25 | ||
纳滤膜对PH值有一定的降低，但降低幅度较小且不稳定。
2.5 纳滤膜对锶和氟离子的去除效果
由于实验室不能进行锶和氟的检验，需送检。取0.7 MPa压力下纳滤水和原水，两口井都取样，总共四个样送检。结果见表5。
项目 | 新井 | 老井 | ||||
原 水 | 纳滤水 | 去除率 | 原 水 | 纳滤水 | 去除率 | |
锶 | 3.97 | 1.89 | 52.4% | 1.10 | 0.51 | 53.7% |
氟 | 0.94 | 0.49 | 47.9% | 0.49 | 0.23 | 53.1% |
在0.7 MPa压力下，纳滤对锶的去除率在50%以上；对氟的去除率不稳定且随着含量增大而降低。
这次送检的结果，其中新井的锶、氟与以前的检验结果差异较大，这次的样品是在连续抽水48小时以后所取的样品。我认为，有必要连续抽水直到水质稳定。
3 结论
①纳滤膜操作压力低，对高电价位的离子的去除率高，对分子质量大离子去除率高，是一种适合于饮用水生产中采用的膜过滤技术。
②纳滤膜对水中矿物质总量、总硬度、钙、重碳酸盐的去除率相差不大，在45%-60%之间。同样条件下，随原水电导率的增加，其去除率总体呈降低趋势。
③在0.7 MPa压力下，纳滤膜对锶的去除率平均为53.0%，纳滤膜对氟的去除率不大稳定，平均值为50.5%。
④根据本实验数据和送样的检测报告，原水经过纳滤膜过滤后，去除部分钙、镁、重碳酸盐后，锶的含量也符合天然矿泉水标准，说明纳滤也是一种适用于降低水中硬度的膜过滤技术。
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