第5章纳米膜过滤技术

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5.3纳滤膜的材质/制备方法
NF 膜 的 制 备 工 艺 有 相 转 化 法 、 稀 溶 液 涂 层 法 、 界面聚合法、热诱导相转化法、化学改性法、等 离子体聚合法。其中目前用的大多数复合NF膜 是用界面聚合法制备的。
NF膜组件形式与RO类同，有板式、管式、卷式 和中空纤维等结构形式。其中，卷式元件用得最 普遍；在粘度和浓度较高的场合，管式组件较适 合。
在平衡时，[C1-]1>[C1-]2；[Na+]1<[Na+]2。也就 是说，在平衡时，上述系统中的Na+，C1-和R-都是 不均匀的。此理论可用于解释离子交换树脂对溶液 中的离子进行交换时的平衡关系。
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一、NF膜的传质机理
NF与UF、RO均是以压力差为推动力的膜过程， 但它们的传质机理有所不同。UF主要为孔流形式（ 筛分效应）；RO为溶解~扩散过程（静电效应）；而 NF介于它们两者之间，对无机盐的分离行为不仅受 化学势控制，同时也受电势梯度的影响。
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NF对极性小分子有机物的选择性截留是基于溶质分 子的尺寸和电荷。（1）根据离子所带电荷选择性 吸附在膜的表面；（2）在扩散、对流、电泳移动 性能的共同作用下传递通过膜。
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二、NF的传质模型
1、非平衡热力学模型 经典热力学研究体系的平衡或进行理想的、可逆的变化 经典热力学不适用于描绘生命体系
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2、电荷模型
又可分为空间电荷模型和固定电荷模型
固定电荷模型假定膜是均质无孔的，用来表征荷电 型RO和NF膜的截留特性和膜电位。
空间电荷模型假设膜为有孔膜（毛细管通道），该 模型可表征电解质及其离子在荷电膜内的传递。
.பைடு நூலகம்
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3、细孔模型
该模型考虑了溶质的空间位阻效应和溶质与孔壁 之间的相互作用。可借助该模型来确定膜的结构 参数，也可适用于NF膜的结构评价。
其对大分子的分离机理与UF相似，但对无机盐的分离行为 不仅由化学势梯度控制（溶解扩散机理），也受电势梯度的 影响，即NF膜的分离行为与其荷电特性、溶质荷电状态以 及二者的相互作用均有关系。
在文献报道中，关于NF膜的分离机理模型有空间位阻~孔道 模型、溶解扩散模型、空间电荷模型、固定电荷模型、静电 排斥和立体位阻模型、Donnan平衡模型等。
[Na+]1[Cl-]1 =[Na+]2[Cl-]2 。
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因[Na+]1=[Cl-]1 ，[Na+]2=[R-]2+[Cl-]2， 于是 [Na+]1[Cl-]1 =[Cl-]12 ，
[Na+]2[Cl-]2 =([R-]2+[Cl-]2)[Cl-]2=[R-]2[C1-]2+[C1-]22 比较上述关系后可见：
对于阴离子，截留率为NO3-＜Cl-＜OH-＜SO42-＜CO32对于阳离子，截留率为H+＜Na+＜Ca2+＜Mg2+
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NF 膜 能 截 留 透 过 UF 膜 的 那 部 分 相 对 分 子 质 量较小的有机物，而又能渗透被RO膜所截留 的 无 机 盐 。 操 作 压 力 比 RO 低 （ 一 般 低 于 1.0MPa），通量比RO大。
第5章 纳米膜过滤技术
5.1 概 述
一. 纳滤技术的发展过程
纳滤膜（NF膜）介于RO膜和UF膜之间，近十几年来发展 迅速，是当前膜分离技术研究与开发的热点之一。
早期，有人称纳滤膜为“疏松的反渗透膜(Loose Reverse Osmosis Membrane)”，将介于反渗透和超滤之间的膜分离 技术称为“杂化过滤(Hybrid filtration)”。直到20世纪80年 代，才渐趋统一，称为纳滤(Nanofiltration)。纳滤是由反渗 透膜发展而来的。
非平衡热力学或称不可逆热力学是较近期发展的，它扩 充了经典热力学的原理，以不可逆物质和能量流为特 征以表示平衡，引入了“时间”参数来处理流率。
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溶剂透过通量： Jv=Lp(△σ△π)
溶质透过通量： Js =-(P△x)
dc dx
+ (1-σ)Jvc
截留率： R=1 ccm p=σ1(-1F-F σ)
实验证明，它能使90%的NaCl透过膜，而使99%蔗糖被膜 截留。非对称膜平均孔径为2nm，故被命名为“纳滤膜”。
CA-RO膜的开发
RO复合膜的开发 （1972年NS-100）
1995年 开发
低压高截留率RO膜
NaCl截留率≥99% NTR-759H、 BW-30(即FT-30)、
SU-700
1996年 超低压RO膜
空间位阻效应
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4、静电位阻模型
该模型将细孔模型和固定电荷模型结合起来。它假设 膜分离层由孔径均一、表面电荷分布均匀的微孔构成 。它考虑了膜的结构参数对膜分离过程的影响，截留 率由道南效应与筛分效应共同决定。由于道南效应的 影响，物料的荷电性，离子价数，离子浓度，溶液 pH值等对NF膜的分离效率有一定的影响。
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唐南平衡( Donnan equilibrium)
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对于渗析平衡体系，若半透膜一侧的不能透过 膜的大分子或胶体粒子带电，则体系中本来能自由 透过膜的小离子在膜的两边的浓度不再相等，产生 了附加的渗透压，此即唐南效应或称唐南平衡。具 体地说：若一侧为NaCl溶液(下称溶液1)，其离子能 自由透过膜；另一侧为NaR溶液(下称溶液2)，其中 R-离子不能透过膜。在两溶液均为稀溶液时，可以 其离子活度视作离子浓度。于是在平衡时，
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微滤（MF） 超滤（UF） 纳滤（NF） 反渗透（RO）
细菌、病毒 悬浮颗粒
蛋白质、酶等 大分子有机物 抗生素、合成药、染料 二价及多价盐、二糖等
单价盐（NaCl、KCl等）
水
膜分离特性示意图
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5.2纳滤膜的分离机理
与UF膜相比，NF膜有一定的荷电容量，对不同价态的离子 存在Donnan效应；与RO膜相比，NF又不是完全无孔的， 因此其分离机理在存在共性的同时，也存在差别。
开发
NF膜(疏松型RO膜))
NaCl截留率≤99% NTR-729HF、 NTR-7250 NTR-7400系、NF-45、 NF-70、NF-90、SU-200S SU-600
纳滤膜的发展过程
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二. 纳滤膜的特点
它有两个显著特征：
一个是其截留分子量介于RO和UF之间，为200～2 000； 另一个是NF膜对无机盐有一定的截留率: