纳滤膜分离技术综述

1、学校代码：_ 11059学号：P5纳滤膜分离技术综述本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21 year.March合艇摩徭Hefe i University下游处理技术XIAYOUCHULIJISHU论文题目： 学位类别： 学科专业： 作者姓名： 导师姓名： 完成时间：纳滤膜分离技术综述本科生物技术方婷于宙纳滤膜分离技术综述摘要：纳滤技术是一种介于超滤和反渗透之间的新型分离技术，本文介绍了纳滤膜 的特性及其独特的分离特点，高分子纳滤膜的儿种主要制备方法的制备原理、 制备要点，综述了纳滤膜的特点，包括纳米级孔径，膜体带有

2、电性基团，操作压力 低,对二价和高价离子的截留率极高。介绍了纳滤膜在食品中以及水处理中的应 用。关键词:膜分离；纳滤膜；分离机理；水处理；食品应用纳滤膜最早出现于20世纪70代末是介于超滤膜和反渗透膜之间的压力驱 动膜，曾被称为低压反渗透膜、疏松反渗透膜等，是近年来国际上发展较快的 新型膜分离技术。纳滤膜在应用中具有两个显著特点：（1）物理截留或截留筛 分效果。能截留相对分子质量2002000,分子大小约为lnm的溶解组分；（2）荷电性。对无机盐有一定的截留率其中对单价离子的截留率较低，对二价 及多价离子的截留率则较高。纳滤膜分离简介1纳滤膜定义纳滤膜早期称为“低压疏松型反渗透膜”，是80年代

3、初继典型的反渗透复 合膜之后开发出来的。其准确的定义到目前为止，学术界还没有一个统一的 解释，这里暂表达如下:孔径范围介于l5nm,操作压力小于，截留分子量界限 2001000Daltono对二价及多价离子有很高的去除率，达90%以上，对单价离 子的截留率小于80%o纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷，这是它在很 低压力下仍具有较高脱盐性能且截留分子量为数口的膜也可脱除无机盐的重要 原因。2、纳滤膜的特点不同价态离子截留效果不同。对单价离子的截留率低，对二价和多价离子的截 留率明显高于单价离子。对阳离子的截留率依据屮，Na+, K+, Mg2+, Ca2+，- Cu2+的顺序递增；对阴离子的

4、截留率依据NO CL, OH, SO2*4, 82-3的顺序递 增。离子截留受共离子影响。在进行同种离子分离时，有相等的共离子价数，膜对 离子的截留率随共离子半径变小而减小，随共离子价数增大而增高。较强抵抗蛋口质、油、疏水型胶体及其它有机物的污染，与RO, NF相比具有 水通量大、操作压力低的特点。与MF, NF相比截留分子量界限更低，能有效 去除如致突变物、农药等微量有机物、消毒副产物的前驱物等许多中等分子量 的溶质。3、纳滤膜分离机理：纳滤类似于反渗透和超滤，均属于压力驱动的膜过程，但其传质机理却有 所不同。一般认为，超滤膜由于孔径较大，传质过程主要为孔流形式，而反渗 透膜通常属于无孔致密

5、膜，溶解一扩散的传质机理能成功解释其截留性能。而 纳滤膜一般是荷电型膜，其对无机盐的分离不仅受化学势控制，同时也受电势 梯度的影响，对中性不带电荷的物质（如葡萄糖、麦芽糖等）的截留则是山膜 的纳米级微孔的分子筛效应引起的，但其确切传质机理至今尚无定论。在膜的研制过程中，人们总是希望能定量地预测膜的性能。因为这不仅能 使现存的设备优化，而且能拓宽膜的应用范围。但是由于纳滤膜的孔径处于纳 米数量级，山此产生的问题就是应该将纳滤膜描述成有孔膜还是无孔膜。若描 述成有孔膜，则需要描述溶质在仅比水分子大儿倍的微孔中的传质过程，且在 此悄况下，用来描述宏观现象的流体动力学等理论是否适用还是个问题。如果 描

6、述成无孔膜，但它的真实孔径乂比反渗透膜大，用反渗透的溶解一扩散理论 来描述它肯定不合适。另外纳滤膜多为荷电膜，电势梯度的影响不容忽视。所 以说，纳滤膜过程是个非常复杂的过程。但到LI前为止，从人们对荷电溶质以 及中性溶质在纳滤膜中传质的大部分研究结果来看，纳滤膜应该有很多纳米级 的毛细管通道。3. 1膜过程的不可逆热力学模型对于液体膜分离过程，其传质现象通常用非平衡热力学模型来表征。纳滤 膜分离过程与微滤、超滤、反渗透膜分离过程一样，以压力差为驱动力，其通 量可以山非平衡热力学模型建立的现象论方程式来表征，方程式中的系数被称 为膜的特征参数，膜特征参数可以通过关联膜过滤实验数据求得，如可根据纯

7、 水透过实验数据确定膜的纯水透过系数。根据膜对单组分溶质的截留率随溶剂 透过通量变化的实验数据关联得到膜的反射系数和溶质透过系数。如果已知膜 的结构特性，上述膜特征参数则可以根据数学模型来确定，从而无需进行实验 即可表征膜的传递分离机理。表述膜的结构特性与特征参数之间关系的数学模 型有电荷模型、细孔模型等。3. 2空间位阻一孔道模型该模型假定多孔膜具有均一的细孔结构，溶质为具 有一定大小的刚性球体，且圆柱孔壁对穿过其圆柱体的溶质的孔壁影响很小。 该模型需知道膜的微孔结构和溶质大小撚后就可运用细孔模型计算出膜参数， 从而得知膜的截留率与膜透过体积流速的关系。反之，如果已知溶质大小，并 山其透过实

8、验得到膜的截留率与膜透过体积流速的关系从而求得膜参数，也可 以借助于细孔膜型来确定膜的结构参数。在该模型中孔壁效应被忽略，仅对空 间位阻进行了校正。3. 3溶解一扩散模型溶解一扩散模型。该模型假定溶质和溶剂溶解在无孔均质的膜表面层 内，然后各自在化学位的作用下透过膜，溶质和溶剂在膜相中的扩散性存在差 异，这些差异对膜通量的影响很大。该模型是以纯扩散为基础的模型，适用于 水含量（容纳量）低的膜。不完全的溶解一扩散模型。该模型是溶解一扩散 模型的扩展，它把溶剂和溶质在微孔中的流动也包括进去。该模型承认在膜的 表面存在不完善、不完美之处（缺点、孑L），溶剂和溶质可通过它们流过。34 Donnan平衡

9、模型将荷电基团的膜置于盐溶液时，溶液中的反离子在膜内 的浓度大于其在主体溶液中的浓度，而同名离子在膜内的浓度低于其在主体溶 液中的浓度。山此形成了 Donnan位差，阻止了同名离子从主体溶液向膜内的 扩散。为了保持电中性，反离子同时被膜截留。该模型是把截留率看作膜的电 荷容量、进料液中溶质的浓度以及离子的荷电数的函数来进行预测的，但没考 虑扩散和对流的影响，而这些作用在真实的荷电膜中的影响不容忽视。35扩展的Nernst Plank方程模型扩展的Nernst Plank方程用于描述离子通过荷电膜的传递。满足电中性条件,涉及十儿个参数,下也含七个参数,该模型忽略加压扩散的局部相关性，同时认为膜内

10、各种离子 它是纳滤法处理含盐溶液过程中传质的基础，但因在模型中 无法得到准确定量值，即使是简单的二元混合物在等温情况 难以求解，因而很少应用。但利用该模型可定性地了解传质 过程中的特点和分离趋势。36电荷模型根据对膜内电荷及电势分布情形的不同，电荷模型分为空间电 荷模型和固定电荷模型。空间电荷模型最早III Osterle等提出，该模型假设膜山 孔径均一而且其壁面上电荷均匀分布的微孔组成，微孔内的离子浓度和电场电 势分布、离子传递和流体流动分别ill Poisson Boltzmann方程、NernstPlank 方程和NavierStokes方程等来描述。空间电荷模型是表征电解质及离子在荷电

11、 膜内的传递及动电现象的较为理想的模型。Ruckenstein等运用空间电荷模型进 行了电解质溶液渗透过程的溶剂（水）渗透通量、离子截留率及电气粘度的数 值计算等，讨论了膜的结构参数及电荷密度等影响因素。Anderson等根据空 间电荷模型对微孔荷电膜的动电现象进行了较为详细的数值计算，并对根据双 电层理论推导的膜的表面Zeta电位与膜的流动电位关联方程Helmholtz-smoluchowsk式的适用范围进行了讨论。Smit等将空间电荷模型与非平衡热力学模型相结 合，从理论上描述了反渗透过程中荷电膜膜内离子的传递现象。但是由于运用 空间电荷模型时，需要对Poisson-Boltzmann方程

12、等进行数值求解，其计算工 作十分繁重，因此它的应用受到了一定的限制。在固定电荷模型中，假设膜相是一个凝胶层而忽略膜的微孔结构，膜相中 电荷分布均匀，仅在膜面垂直方向因Donnan效应和离子迁移存在一定的电势 分布和离子浓度分布。该模型的特点是数学分析简单，未考虑结构参数（如孔 径），假定固定电荷在膜中分布是均匀的，有一定的理想性。当膜的孔径较大 时，固定电荷、离子浓度以及电位均匀分布的假设不能成立，因而固定电荷模 型的应用受到一定限制。比较以上两种模型，固定电荷模型假设离子浓度和电 势在膜内任意方向分布均一，而空间电荷模型则认为两者在径向和轴向存在一 定的分布，因此认为固定电荷模型是空间电荷模

13、型的简化形式。3. 7静电排斥和立体位阻模型该模型既考虑了细孔模型所描述的膜微孔对 中性溶质大小的位阻效应，乂考虑了固体电荷所描述的膜的带电特性对离子的 静电排斥作用，因而该模型能够根据膜的带电细孔结构和溶质的带电性及大小 来推测膜对带电溶质的截留性能。为了检验该模型，Wang等。二、纳滤膜分离技术在工业上的应用（一）、在食品上的应用为提高食品质量和档次,食品用水应当净化。近年来，生产和主活中大量使 用的农药、化肥和洗净剂等有机化合物，造成对水环境的污染。人们通入到水中 杀菌的氯气,会和水中有机化合物主成三卤代炷类物质，对人们健康造成更大危 害。传统的净水方法不容易除去这些低分子量的有机物。纳

14、滤膜对这些低分子 量的有机物截留率可以达到87%98%,在脱盐的同时，有效地除去了这些有害 物质（二）纳滤膜在饮用水净化中的应用饮用水的污染问题愈来愈受到人们的关注，欧、美、日等发达国家都有改 善水质的计划，如日本的MAC-21和新MAC-21计划，将膜技术作为水净化的最 有效的手段。欧、美等国也支持了许多膜法（纳滤）水净化实验，效果明显。 地下水或地表中的污染物主要是分子质量为儿口的杀虫剂、除草剂以及因消毒 而造成的过量有机卤化物，这些物质都是有毒其至致癌的。纳滤膜分离法可以 去除消毒过程中产生的副产物、痕量除草剂、杀虫剂、重金属、天然有机物、 硫酸盐及硝酸盐等.同时能保留大多数人体必须的无

15、机离子，出水水效率高， 符合饮用水的要求。因而是一个技术和经济可行，有望代替传统活性炭吸附分 离法的有效方法。山于山东沿海某地淡水资源匮乏.井水含盐量高，199年在 该地区建成了地下苦咸水纳滤法淡化站，日产水量1448】。日本釆用纳滤系统 并加以预处理，经过长期中试结果表明：纳滤工艺能有效去除水中色度、TOC 和致癌物询体THMs【9】。李盛凯等人对不同地下水水质，分别以活性炭、石英 砂、镭砂进行预处理，采用纳滤膜工艺制取优质饮用水。研究表明I】。】，活性炭 更适合用作有机污染物含量较高的浅层地下水的预处三、总结：纳滤膜是一特殊而乂很有前途的分离膜品种但纳滤膜的传质机理还需进一 步改进和完善，

16、其分离精度也有待于提高。在开发新的膜材料的同时，应注重 集成工艺的开发和过程的优化。纳滤膜分离技术作为一种新型膜分离技术和分离手段，在新型的膜分离过 程中具有很高的潜在应用价值，如含催化剂的溶剂中催化剂回收的应用、对糖 脱色树脂再生液进行再处理以及过程中水的回用、废液中回收酸碱、从含重金 属离子的盐水中回收澳、电厂冷却水的处理、纳滤膜膜生物反应器、有机化工 废液处理等。纳滤膜作为膜科学中的一种新型分离膜，问世10多年来以其显著的分离特 性在诸多领域得以越来越广泛的应用，而且也越来越受人们的关注和重视.而许 多新的低分子质量中性及电解质溶质分离体系的出现，如水资源的净化、生化 工程，下游产品的分

17、离精制等。对纳滤膜及其分离过程而言也是一个契机。我 们认为纳滤膜分离技术存在着众多的优越性，是一个新兴的值得瞩LI的领域， 必将会有广阔的发展前景。【参考文献】吴舜泽，等荷电纳滤膜对有机物的分离J水处理技术,2000,26:249-252.2 高从皓等.NFC.第二界全国膜和膜过程学术会议，杭州,1996,15.3 吴舜泽等.荷电NF膜对有机物的分离J.水处理技术,2002,26:249- 252.4 王湛，刘淑萍，王淑梅.膜分离技术基础M.北京：化学工业出版社， 2001： : 178-183.5 WestermannClerk G B, Anderson J verification of the space charge model for electrokinet is in charged micro porous , 1983, 130： 839-847.6 Wang X L, Tsuru T, Togoh M, of Pore structure a nd electrical properti