纳滤技术的特点及其应用

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1、纳滤技术的特点及其应用摘要:纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技术。文章综述了纳滤膜的特性，分离机理，影响纳滤膜分离特性的因素及其在水处理、制药业、食品及染料等行业过程中的应用，并对其更广泛的发展前景进行展望。关键词:纳滤;纳滤膜;膜分离;应用20世纪80年代初期发展起来纳滤(NF)与反渗透和超滤一样均属于压力驱动的膜分离过程。它通过膜的渗透作用，借助外界能量或化学位差的推动，对两组分或多组分混合气体或液体进行分离、分级、提纯和富集。作为一种新型的分离技术，纳滤膜在分离过程中表现以下两个显著特征：一个是

2、因为纳滤膜表面分离层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用，所以对无机盐有一定的截留率；另一个是其截留分子量为200~2000，介于反渗透膜和超滤膜之间[1]。纳滤膜的表层孔径处于纳米级范围，在渗透过程中截留率大于90%的最小分子约为1nm，因而称为纳滤[2]。1．纳滤膜的分离机理纳滤膜分离机理的研究自纳滤膜产生以来一直是热点问题。尽管纳滤膜的应用越来越广泛，其迁移机理还没能确切地弄清楚。传统理论认为纳滤膜传质机理与反渗透膜相似，是通过溶解扩散传递。随着对纳滤膜应用和研究的深入，发现这种理论不能很好解释纳滤

3、膜在分离中表现出来的特征。就目前提出的纳滤膜机理来看，表述膜的结构与性能之间关系数学模型有电荷模型、道南-立体细孔模型、静电位阻模型。电荷模型根据对膜内电荷及电势分布情形的不同假设，分为空间电荷模型(theSpaceChargeModel)和固定电荷模型(theFixed-ChargeModel)。空间电荷模型[3]最早由Osterle等提出，该模型的基本方程由Poisson-Boltzmann方程、Nernst-P1anck方程和Navier-Stokes方程等来描述。运用空间电荷模型，不仅可以描述诸如膜

4、的浓差电位、流动电位、表面Zeta电位和膜内离子电导率、电气粘度等动电现象，还可以表示荷电膜内电解质离子的传递情形。固定电荷模型[4]最早由Teorell、Meyer和Sievers提出，因而通常又被人们称为Teorell-Meyer-Sievers(TMS)模型。固定电荷模型假设膜为一个凝胶相，其电荷分布均匀、贡献相同；离子浓度和电位在传递方向具有一定梯度；主要描述膜浓差电位、溶剂和电解质在膜内渗透速率及其截留性。道南-立体细孔模型[1,5](Donnan-stericPoreModel)建立在-9-Ne

5、rnst-planck扩展方程基础上，用于表征两组分及三组分的电解质溶液的传递现象，假定膜是由均相同质，电荷均布的细孔构成，分离离子时，离子与膜面电荷之间存在静电作用，相同电荷排斥而相反电荷间相互吸引，当离子在极细微的膜孔隙中的扩散和对流传递过程中会受到立体阻碍作用的影响。近来，Wang等[6]建立了静电排斥和立体阻碍模型(theE1ectrostaticandSteric-hindranceMode1)又可简称为静电位阻模型。静电位阻模型假定膜分离层由孔径均一、表面电荷分布均匀的微孔构成，其结构参数包括孔

6、径rp、开孔率Ak、孔道长度即膜分离层厚度Δx。电荷特性参数则表示为膜的体积电荷密度X(或膜的孔壁表面电荷密度为q)。根据上述膜的结构参数和电荷特性参数，对于已知的分离体系，就可以运用静电位阻模型预测各种溶质(中性分子、离子)通过膜的传递分离特性(如膜的特征参数)。2.纳滤膜的特性2.1纳滤膜的荷电性［7，8］纳滤膜的荷电性是纳滤膜最重要特征之一，这种影响1911年被发现并首先用于解释离子交换膜的原理。荷电性与膜材料以及制造工艺等相关联，荷电与否、荷电种类、材料及荷电的强度对膜性能影响较大，荷电对纳滤膜抗污

7、染性能也有一定的影响。新型纳滤膜大多具有一定的电荷（往往带负电），导致纳滤膜的截留机理不同于传统的软化纳滤膜的机械筛分机理，其加入了膜与无机物阳离子，膜与有机物的电性作用。2.2纳滤膜对无机物的分离特性纳滤膜对无机离子的去除介于反渗透膜和超滤膜之间，它对不同的无机离子有不同的分离特性［7，9，11］，这是纳滤膜与反渗透膜分离性能的主要差别。Kristina等［10］指出NaCl的截留率与溶液的浓度有很大关系，当溶液浓度由0.05mol/L增至1mol/L时，NaCl的截留率由45%降至7%。在用纳滤膜处理含

8、大量金属离子的溶液时发现Cd、Zn、Pb、Cr等离子的截留率大于90%，而K、Na等离子的截留率则小于10%。2.3纳滤膜对有机物的分离特性［8,9］纳滤膜一般对分子量在200以上的有机物具有较好的分离效果，去除率大于90%，基于此提出纳滤膜截留分子量为200-500，但有些文献［9］认为纳滤膜截留分子量的范围可为200-1000，甚至200-2000。在同样的操作条件下，纳滤膜对憎水性的有机物去除效果最好（97