纳滤膜的离子选择性研究

纳滤膜的离子选择性研究

2010-02-11 来源: 印染在线点击次数：555

关键字：纳滤膜荷电膜离子选择性

王薇，李国东，杜启云

纳滤(nanofiltration，简称NF)膜是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，因能截留物质的大小约为1纳米而得名。纳滤的操作区间介于超滤和反渗透之间，通常纳滤分离需要的跨膜压差为0．5～2．0MPa，比反渗透达到同样的渗透通量所需施加的压差低0．5～3．0MPa。对溶质的电荷选择性是纳滤膜最主要的性能之一，这一特性使纳滤膜在水的软化、净化和食品、染料、药物脱盐等领域的应用越来越广泛。商品纳滤膜大多数荷负电，相关的研究较多；荷正电的纳滤膜较少，故其相关的研究也鲜见报道’、为考查荷正电膜的电荷选择特点，本文用自制的荷正电纳滤膜对不同种类的无机盐溶液进行截留实验，研究荷正电纳滤膜对阴、阳离子的选择特点，对研究纳滤膜分离机理、开发荷正电膜的适用领域具有一定意义。

1实验部分

1．1实验材料与设备

实验所用材料有：聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDM)/聚砜(PSF)中空纤维内压纳滤膜，实验室自制；无机盐，分析纯．

实验仪器有：电导率仪，MC226型，瑞士梅特勒一托利多仪器公司产品；纳滤膜评价仪，自制，见图1。

1．2实验步骤

1．2．1无机盐电导率一浓度的标准曲线绘制

将无机盐在110oC下干燥24h去除所含的水分和结晶水，准确称量无机盐2．000g溶于1000mL容量瓶中．分别吸取75、50、25和10mL溶液置于100mL容量瓶中，用纯水稀释至刻度，配制成质量浓度为1．5、1．0．0．5和0．2g/L的无机盐标准溶液。分别取标准溶液3mL置于干净的试管中，用MC226型电导率仪读取电导率值，绘制各无机盐

的电导率一浓度标准曲线。

1．2．2纳滤实验

配制浓度为0．017moL/L的单组分无机盐水溶液作为测试溶液。实验中纳滤系统温度恒定为25摄氏度上下0.2摄氏度，操作压力为0．7MPa。每次测试前预压0．5h后开始取样，用纳滤膜对无机盐的截留率表征纳滤膜的离子选择性．每组实验选用同一支膜组件，不同组的实验由于组件的个体差异，对同一无机盐的截留率可能略有不同，如实验中用到的NaC1、KC1等．纳滤膜对无机盐的截留率为：

R=(1一Cp/C0)×100%

式中，Cp和Co分别为透过液和原液中无机盐的浓度，用电导率值表征。

2结果与讨论

2．1对阴离子的选择性

2．1．1阳离子为Na时的截留情况

表1为纳滤膜对不同阴离子的钠盐的截留情况。

从表1可以看出，纳滤膜对NaC1的截留率最小，而对NaOH的截留率最高；另外，纳滤膜对复合离子的截留率较高；但是，阴离子的电荷数对截留率的影响似乎较小。PDM/PsF 复合膜的功能层为交联的PDM网络，含有一定量未反应的叔氨基，叔氨基在水溶液中水解成季氨基，从而使膜表面带正电．由于荷正电的表面对阴离子存在吸引力，复合阴离子在正电膜表面的吸附层较厚，离子穿越膜的功能层时阻力更大，因而纳滤膜对复合阴离子的截留率较高．在碱性条件下，季氨基被中和形成季铵盐(NROH一)，静电排斥力的减小使功能层收缩致密化，因而传输阻力增加，所以对OH一的截留率最高。

2．1．2阳离子为K+时的截留情况

分别用纳滤膜对KC1、KBr和KI的水溶液进行截留实验，实验结果见表2。

表2 对钾盐的截留率

从表2可以看出，阴离子的截留率与有效离子半径的变化一致．在水溶液中，离子的香农(Shannon)半径与溶液中运动离子的半径相似，可用来作为截留率不同的参考．分析原因，可能还是由于膜表面带正电，阴离子的吸附层厚度不同产生的影响．

2．1．3 阳离子为Mg2+时的截留情况

表3为纳滤膜对不同阴离子的镁盐的截留情况．

表3 对镁盐的截留率

从表3可以看出，对镁盐的截留率按下列顺序递增：C1-，NO-，SO4 2-，对复合离子的截留率稍大，对二价离子的截留率与对一价离子的截留率差异不大．

2．2 对阳离子的选择性

2．2．1 阴离子为SO4 2-时的截留情况

表4所示为纳滤膜对不同阳离子的硫酸盐的截留情况．

表4 对硫酸盐的截留率

由表4可见，纳滤膜对阳离子的截留与离子价态有关．对单价离子的截留率低，对二价和高价离子的截留率明显高过单价离子．由于Al3+、Fe3+的水解使溶液显酸性，而PDM交联层含有的叔氨基(-NR3)在酸性溶液中水解加剧(-NR3 + H3+O→-NR4+ + H2O)，荷正电的季氨基数量增加，静电排斥使功能层的溶胀增加，孔隙变大，所以对Fe3+和Al3+的截留率比二价阳离子的小．

2．2．2 阴离子为cl-时的截留情况

表5为对不同阳离子的盐酸盐的截留情况．

表5 对盐酸盐的截留率

由表5可见，阳离子荷电数的影响最大，对二价阳离子的截留率明显高于对一价阳离子的；截留率与有效离子半径(shannon半径)的变化相反．截留情况决定于离子电性能，阳离子的电量、电荷密度决定了它们通过荷正电功能层的难易．

2．2．3 阴离子为NO3-时的截留情况

对硝酸盐的截留实验也反映出与硫酸盐和盐酸盐相同的规律，如表6所示．

表6 对硝酸盐的截留率

由表6可见，随着阳离子半径的增加，截留率下降．虽然二价镁离子的半径最小，但截留率最高；而离子半径相对较大的钾离子的截留率却小得多．因此，对无机盐来讲，离子价态决定了无机盐的截留率

3结论

由以上实验可知，荷正电的PDM/PSF中空纤维内压纳滤膜对不同离子的选择性规律如下：(1)离子的价态对无机盐的截留率有影响。其中，阴离子的价态对截留率的影响较小，而阳离子的价态对截留率的影响较大，纳滤膜对二价(和三价)阳离子的截留率高于对一价阳离子的截留率。很多有害离子在水中都存在二价或高价形态(如Mg2+、Ni2+、Cu2+、Mn2+、Cd2+、Fe2+等)，利用纳滤膜这种分离特性可以有效将他们从水体中去除。

(2)PDM/PSF中空纤维内压纳滤膜对复合离子的截留率较高。

(3)离子的截留率与香农半径有一定的关系．阴离子的截留率与香农半径的变化规律相同，而阳离子的截留率与香农半径的变化规律相反。