纳滤膜分离技术综述.doc

word学校代码：__11059__学 号：1302021005Hefei University下游处理技术XIAYOUCHULIJISHU论文题目：纳滤膜别离技术综述学位类别：本科学科专业：生物技术方婷导师：于宙完成时间：2016.5.11 / 纳滤膜别离技术综述摘要： 纳滤技术是一种介于超滤和反渗透之间的新型别离技术，本文介绍了纳滤膜的特性与其独特的别离特点，高分子纳滤膜的几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与水处理中的应用关键词:膜别离；纳滤膜；别离机理；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，是近年来国际上开展较快的新型膜别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200~2000，分子大小约为1nm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，对二价与多价离子的截留率如此较高[1]一、纳滤膜别离简介1、纳滤膜定义纳滤膜早期称为“低压疏松型反渗透膜〞，是80年代初继典型的反渗透复合膜之后开发出来的[2]。

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:孔径围介于1~5nm，，截留分子量界限200~1000Dalton对二价与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%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百的膜也可脱除无机盐的重要原因[3]2、 纳滤膜的特点2.1 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H+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，，Cu2+的顺序递增；对阴离子的截留率依据NO-3，Cl-，OH-，SO2-4，CO2-3的顺序递增离子截留受共离子影响在进展同种离子别离时，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白质、油、疏水型胶体与其它有机物的污染，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、纳滤膜别离机理：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膜，溶解－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，其对无机盐的别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〕的截留如此是由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围但是由于纳滤膜的孔径处于纳米数量级，由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假如描述成有孔膜，如此需要描述溶质在仅比水分子大几倍的微孔中的传质过程，且在此情况下，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述成无孔膜，但它的真实孔径又比反渗透膜大，用反渗透的溶解－扩散理论来描述它肯定不适宜另外纳滤膜多为荷电膜，电势梯度的影响不容无视所以说，纳滤膜过程是个非常复杂的过程但到目前为止，从人们对荷电溶质以与中性溶质在纳滤膜中传质的大局部研究结果来看，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 对于液体膜别离过程，其传质现象通常用非平衡热力学模型来表征。

纳滤膜别离过程与微滤、超滤、反渗透膜别离过程一样，以压力差为驱动力，其通量可以由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膜的结构特性，上述膜特征参数如此可以根据数学模型来确定，从而无需进展实验即可表征膜的传递别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－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,然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，如果溶质大小，并由其透过实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，仅对空间位阻进展了校正3．3 溶解－扩散模型[4]①溶解－扩散模型该模型假定溶质和溶剂溶解在无孔均质的膜外表层，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根底的模型，适用于水含量〔容纳量〕低的膜②不完全的溶解－扩散模型该模型是溶解－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外表存在不完善、不完美之处〔缺点、孔〕，溶剂和溶质可通过它们流过3．4 Donnan 平衡模型 将荷电基团的膜置于盐溶液时，溶液中的反离子在膜的浓度大于其在主体溶液中的浓度，而同名离子在膜的浓度低于其在主体溶液中的浓度由此形成了 Donnan 位差，阻止了同名离子从主体溶液向膜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与离子的荷电数的函数来进展预测的，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无视3．5 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该模型忽略加压扩散的局部相关性，同时认为膜各种离子满足电中性条件，它是纳滤法处理含盐溶液过程中传质的根底，但因在模型中涉与十几个参数，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下也含七个参数，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别离趋势。

3．6 电荷模型 根据对膜电荷与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由Osterle等提出，该模型假设膜由孔径均一而且其壁面上电荷均匀分布的微孔组成，微孔的离子浓度和电场电势分布、离子传递和流体流动分别由Poisson－Boltzmann方程、Nernst－Plank方程和NavierStokes 方程等来描述空间电荷模型是表征电解质与离子在荷电膜的传递与动电现象的较为理想的模型Ruckenstein 等运用空间电荷模型进展了电解质溶液渗透过程的溶剂〔水〕渗透通量、离子截留率与电气粘度的数值计算等，讨论了膜的结构参数与电荷密度等影响因素Anderson 等[5]根据空间电荷模型对微孔荷电膜的动电现象进展了较为详细的数值计算，并对根据双电层理论推导的膜的外表 Zeta电位与膜的流动电位关联方程 Helmholtz－smoluchowsk 式的适用围进展了讨论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 方程等进展数值求解，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、离子浓度以与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拟以上两种模型，固定电荷模型假设离子浓度和电势在膜任意方向分布均一，而空间电荷模型如此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，又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与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[6]二、纳滤膜别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, 生产和生活量使用的农药、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生成三卤代烃类物质, 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[7](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、日等兴旺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几百的杀虫剂、除草剂以与因消毒而造成的过量有机卤化物，这些物质都是有毒甚至致癌的纳滤膜别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、硫酸盐与硝酸盐等．同时能保存大多数人体必须的无机离子，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别离法的有效方法由于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 l44 T[8]日本采用纳滤系统并加以预处理，经过长期中试结果明确：纳滤工艺能有效去除水中色度、TOC和致癌物前体THM s[9]盛凯等人对不同地下水水质，分别以活性炭、石英砂、锰砂进展预处理，采用纳滤膜工艺制取优质饮用水。

研究明确[10]，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：纳滤膜是一特殊而又很有前途的别离膜品种但纳滤膜的传质机理还需进一步改良和完善，其别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别离技术作为一种新型膜别离技术和别离手段，在新型的膜别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展再处理以与过程中水的回用、废液中回收酸碱、从含重金属离子的盐水中回收溴、电厂冷却水的处理、纳滤膜膜生物反响器、有机化工废液处理等纳滤膜作为膜科学中的一种新型别离膜，问世10多年来以其显著的别离特性在诸多领域得以越来越广泛的应用，，如水资源的净化、生化工程，下游产品的别离精制等对纳滤膜与其别离过程而言也是一个契机我们认为纳滤膜别离技术存在着众多的优越性，是一个新兴的值得瞩目的领域，必将会有广阔的开展前景参考文献】[1]吴舜泽,等.荷电纳滤膜对有机物的别离[J].水处理技术,2000,26(5):249-252.[2]高从堦等.NF[C].第二界全国膜和膜过程学术会议,,1996,15.[3]吴舜泽等.荷电NF膜对有机物的别离[J].水处理技术,2002,26(5):249- 252.[4]王湛，淑萍，王淑梅.膜。