据GWI研究微信公众平台2018年10月18日讯 纳滤技术一直以来发展比较缓慢，而随着这一技术的不断发展，纳滤正在逐渐成为膜技术中的重要一员。技术进步将如何帮助它在市场中占据更大的份额呢？
　　纳滤（NF）作为一种介于超滤（UF）和反渗透（RO）之间的膜过滤技术，一直以来发展都不如超滤和反渗透那样受到广泛重视。然而，随着技术本身的发展加快，以及市场应用场景的清晰化，纳滤技术在许多应用中的价值得到了更多的认可，比如在供水处理中，纳滤主要用于去除饮用水中的硬度或色度，而在一些难处理的废水中，纳滤也开辟了更多的应用。另一方面，不断增长的微污染物问题也为纳滤提供了坚实的机会。（参见GWI杂志9月刊CTO专栏，第39页）
　　阻碍发展因素
　　与其它膜相比，纳滤市场一直是一个相对模糊的领域。反渗透和超滤分别具有盐分离和悬浮固体去除的明确目的，而纳滤则可用于去除水中大量溶解的污染物，既包括了二价离子又包含了绝大多数有机物，具体的去除与其选择性能力相关（见图表）。

　　市场中有些派别认为纳滤在去除溶解性有机物方面性能最好，而有些人则将其与硫酸盐去除联系起来，尤其是在石油和天然气领域的水处理中。除了对去除的污染物类别有不同的意见之外，市场对于纳滤主要是通过分子量大小截留还是通过电荷效应截留的原理也存在分歧。尽管这些分歧不太可能在短期内解决，但这并不妨碍纳滤在市场中的应用越来越广泛，特别是在某些特定的应用领域。“纳滤开始的时候是在传统的水处理中得到比较好的运用，比如对于饮用水的处理，以用于去除颜色、硬度和微污染物。”纳滤膜的领导者美国陶氏公司的技术专家丹妮丝·豪卡拉（Denise Haukkala）说。
　　除了目标污染物的不确定之外，纳滤另外一个比较大的发展阻碍在于现阶段还没有办法准确地进行性能预测。由于纳滤的性能很大程度上取决于给水的水质情况，导致纳滤不像反渗透一样可以有许多精确的模型来给出精确的性能数字。针对这个问题，威立雅的赫尔维·布森（Herve Buisson）则认为纳滤的使用需要与其适应的前处理与后处理相结合。
　　纳滤膜的三大应用领域
　　目前，国际市场上针对纳滤技术主要有三种不同的应用类型。第一种应用场景是比较致密的类型（就切割分子量MWCO而言），旨在饮用水的软化功能。第二种则是专门针对硫酸盐去除开发的纳滤膜，主要应用于石油和天然气行业的水处理，可以有效去除硫酸盐以防止其与地层水中的钡和锶反应，避免不溶性化合物堵塞石油井。第三种，更疏松的纳滤膜，这种可能更接近于超滤膜，主要用于市政领域。虽然纳滤最初被视为疏松的反渗透膜，但是一些技术公司最近从另一个方向开发，从而形成了越来越致密的超滤膜。Microdyn Nadir的商业总监乔恩·古德曼（Jon Goodman）表示，他们公司最近的技术开发，都在开发更松散的纳滤膜，应用于难度更大的污水处理中。

　　陶氏则在尝试将纳滤膜应用于非传统意义上的饮用水处理。“就最近的进展而言，纳滤膜是能够应用于极端环境，比如极低的pH、超过50℃的高温环境等。”豪卡拉说。同时，纳滤还在比以前设想的压力更高的操作上也进行了广泛的测试。
　　从膜结构来说，目前主导的是卷式纳滤膜，而中空纤维结构正在快速发展。虽然理论上而言，纳滤膜可以通过其截留分子量MWCO进行区分，但对于供应商而言，往往更在乎的是实际应用中纳滤膜截留率的表现。
　　迄今为止，纳滤膜主要应用于市政或石油和天然气领域（见表）。很明显，OEM对纳滤膜的应用情况有更多的了解。膜生产商包括陶氏、海德能、东丽和Trisep有时并不知道他们的膜在销售给系统集成商后的应用领域。

　　中空纤维纳滤膜
　　在过去几年中，少量具有中空纤维结构的纳滤膜已经上市。中空纤维的直接优势在于它可以反冲洗，并且能够在较低压力下工作。除此以外，在化学组成上可以由聚砜化合物（polysulfone ）制成，与卷式膜中使用的聚酰胺相比，它能够在更高的pH下更耐氯和清洗。然而，高昂的价格也一定程度上阻碍了其广泛的应用。据了解，中空纤维式纳滤膜的价格往往比卷式纳滤膜贵4四倍左右。
　　市场上第一个中空纤维式纳滤膜商业化产品来自X-Flow公司，其HFW1000产品旨在去除色度，而不是软化作用。到目前为止，市场对其接受度相对有限。
　　X-Flow的联合创始人埃里克·鲁辛克（Erik Roesink）还创立了NX Filtration公司，已经开发了商用中空纤维纳滤膜。该产品采用层状膜制造工艺，在超滤膜上沉积多层化合物。通过添加膜层和相关化学性能来进一步提高膜的截留率。NX Filtration还可以使其膜同时带负电和正电（大多数现有的纳滤膜仅带负电）以增强其排斥能力和其他一些优点。“我们可以通过大幅增加膜的耐氯性，耐酸碱性和可反冲洗性，比螺旋缠绕膜更加有效地控制膜污染。”商务经理罗伯特·杰拉德（Robert Gerard）说道。
　　NX Filtration目前可以生产MWCO为200道尔顿的产品，这有助于它去除各种微污染物，包括药物，除草剂和内分泌干扰物。NX Filtration将其技术定位在微污染物的去除，并且已经进行了广泛的中试。根据杰拉德的说法，该公司目前将很快完成饮用水处理的许可申请，除了饮用水之外，NX Filtration也在实验该产品在污水处理中的表现情况，包括在深度处理阶段和初级处理阶段的不同应用情况。
　　目前市场上第三家拥有中空纤维式纳滤膜的公司是新加坡的De.mem（在澳大利亚证券交易所上市），该公司已获得新加坡南洋理工大学的技术许可。De.mem期望在广泛的应用程序中部署其解决方案。
　　“De.mem技术在消除某些类型水的硬度（二价钙和镁离子）方面具有特殊的优势，”首席执行官安德烈亚斯·克罗尔（Andreas Kroell）说道。“除此以外，考虑到更广泛的应用，我们还成功完成了工业废水COD的去除项目，这些工业污水的特点在于无机溶解固体含量很高。”
　　克罗尔同时列举了中空纤维的其它优势。“中空纤维结构使我们能够在低压下操作膜，大概可以低到1.5bar，这与平板纳滤膜相比可节省大量成本。”他解释说，该膜也可以表现出类似于NX Filtration产品的正电荷。虽然目前膜的MWCO看起来相对较高——在1000道尔顿，但克罗尔向GWI解释说，De.mem计划在不久的将来推出一种孔径更小的膜。“膜越是多样就越能低成本地解决各种‘问题’或实现不同的目标。”他说。
　　膜材料创新与发展
　　目前市场上纳滤膜和反渗透膜的情况类似，只有少数纳滤膜供应商相对活跃（见图表），不像超滤膜一样有着激烈的市场竞争。一些初创技术公司正在瞄准纳滤膜领域，为这一市场注入更多的新兴技术的血液，并帮助拓宽技术的应用。

　　马萨诸塞州似乎是一个活动中心。位于剑桥的初创公司ZwitterCo正在引入自组装两性离子聚合物（zwitterionic polymers）作为膜材料，据称可以抵抗不可逆的污垢。该公司正计划使用纳滤膜来防止下游反渗透膜的污垢——即使在死端过滤模式下，纳滤膜也可以承受含油污水。
　　与此同时，同一地区的Anfiro正在使用嵌段聚合物（block polymers）也是自组装，来改善纳滤膜的性能。历史上，通过聚合物的自组装实现的孔径通常直径大于10纳米。Anfiro试图使孔径更小。嵌段聚合物的一个特点是，如果条件合适，它们可以自组装成不同的结构，其中一种结构非常适合膜应用，”公司首席执行官杰米·马特乌斯（Jaime Mateus）解释说。
　　Anfiro的目标是提高纳滤膜的性能。“在保持相同水平的选择性能的同时，将现有纳滤膜的渗透性提高一倍是合理的，并且是我们目标的最低限度，”马特乌斯断言，并补充说该公司正在探索卷式和中空纤维式的膜构造。
　　来自于麻省理工学院的Via Separations正在商业化使用氧化石墨烯薄片（graphene oxide flakes ）作为膜的活性层。首席执行官施瑞雅·戴夫（Shreya Dave）告诉GWI，该产品的耐化学和耐高温性能意味着它对于极端的pH和氧化环境可以有更好的耐受性和稳定性。Via Separations也正在设计其解决方案，以确定膜产品通过膜孔尺寸对污染物进行截留而非基于表面电荷的差异。
　　Via Separations产品主要针对工业过程应用，但高腐蚀性的污水也是其潜在的应用领域。该产品预计于2020年进入市场，“我们的产品并不是聚合物纳滤膜的竞争对手。我们给自己的定位是市场的补充者。”戴夫强调说。
　　与此同时，位于缅因州的Cerahelix公司开始通过利用陶瓷溶液（ceramic solution），使用DNA有效地控制孔径。“我们在高负荷污水处理方面做了大量工作，主要的客户是试图达到排放限制的食品和饮料行业。”首席执行官苏珊·麦凯（Susan Mackay）告诉GWI。
　　PolyCera是今年早些时候从Water Planet分拆出来的三家公司中的第三家，是进入该市场的最新公司。它将在本月晚些时候推出其Titan纳滤膜。它已被开发用于去除颜色和染料，同时有潜力用于高强度有机物的去除。
　　膜组件构型创新
　　除了上述各种膜材料的创新之外，在膜组件构型的领域，全球也有不少技术公司在进行创新尝试。比如总部位于加利福尼亚州的EconoPure公司在膜上打开了最大90密耳（90千分之一英寸）的进料垫片，而不是传统尺寸约30密耳，同时使用波纹垫片而不是网眼来减轻膜污染。EconoPure首席执行官丹尼尔·伯特伦（Daniel Bertram）表示，“我们希望可以将会导致膜污染的物质停留在悬浮物中。”
　　EconoPure公司从市场上采购膜材料，并根据其专有配置生产元件。“实际上我们可能使用两到三个纳米膜平板，大多数都适合松散，中等和非常紧凑的配置，”伯特伦说。它已将LFNano（LF意味着低污染）系统应用于广泛的应用，包括纺织废水，压裂回流水等。在石油和天然气领域它还将其纳滤系统与电凝聚系统一起搭配使用。
　　“对我们来说，下一件大事就是把我们系统的通用性作为定制系统出售，并推出一系列标准化系统。它不会是一刀切，但也不需要过多的定制。”伯特伦告诉GWI。
　　市场机会在哪里？
　　面对客户需要更高的水回收率的情况，在二级反渗透系统中，第一级反渗透可以用纳滤代替纳滤。 纳滤也有用作RO的预处理，作为软化步骤以帮助减少结垢，但这种应用仍然相对不常见。“有时它可能有意义，但有一点需要注意，纳滤不能替代悬浮物去除，”豪卡拉说。超滤目前是一种更常见的预处理方案。尽管如此，De.mem依然对将其纳滤膜用作反渗透的预处理步骤表示兴趣：“使用我们的中空纤维纳滤进行预过滤很简单，与超滤膜相比成本也不高，”克罗尔告诉GWI。
　　微量污染物的去除将是纳滤应用的关键领域。随着微量污染物的问题日益提上议程，一些技术正在争夺成为最佳解决方案。尽管臭氧和活性炭已成为欧洲中部，特别是德国和瑞士的优势解决方案，但纳滤正处于框架之中，特别是在美国，以应对迅速出现的多聚和全氟烷基物质（PFAS）问题。已有试验表明，效果至少与RO一样有效。
　　纳滤技术同时也在废水处理中获得更多的关注度。它不仅应用于饮用水色度的去除，同时也可用于纺织废水色度的去除，这一原理是相似的。随着纺织印染废水的污染受到人们越来越多的重视，纳滤很可能在这一应用领域找到商机。同时，采矿废水硫酸盐的永久性问题也为纳滤膜的使用提供了强大的推动力，未来纳滤将可能作为化学处理的替代方案之一。
　　（本文选自GWI最新9月刊杂志）