对于纳滤膜分离技术的探讨

对于纳滤膜分离技术的探讨

摘要：本文主要介绍了纳滤膜分离技术的原理，特点。阐述了当前纳滤在国内外的发展情况以及介绍了有关纳滤膜的具体应用并对今后纳滤技术发展进行了展望。

关键词：纳滤膜；反渗透；纳滤分离；纳滤技术；应用前景

正文：

纳滤膜的研究始于20世纪70年代，是由反透膜发展起来的，早期称为“疏松的反渗透膜”，将介于反渗透和超滤之间的膜分离技术称为“杂化过滤”。直到20世纪90年代，才统一称为纳滤。纳滤技术是为了适应工业软化水的需求及降低成本而发展起来的一种新型的压力驱动膜过程。纳滤膜的截留分子量在200～2000 之间，膜孔径约为1 nm左右，适宜分离大小约为1 nm的溶解组分，故称为“纳滤”。纳滤膜分离在常温下进行，无相变，无化学反应，不破坏生物活性，能有效的截留二价及高价离子、分子量高于200 的有机小分子，而使大部分一价无机盐透过，可分离同类氨基酸和蛋白质，实现高分子量和低分子量有机物的分离，且其成本比传统工艺还要低。因而被广泛应用于超纯水制备、食品、化工、医药、生化、环保、冶金等领域的各种浓缩和分离过程。我国从20世纪80年代后期就开始了纳滤膜的研制，在实验室中相继开发了CA－CTA纳滤膜S－PES涂层纳滤膜和芳香聚酰胺复合纳滤膜，并对其性能的表征及污染机理等方面进行了试验研究，取得了一些初步的成果。但与国外相比，我国纳滤膜的研制技术和应用开发都还处于起步阶段。

纳滤的原理：

纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技术，它可以除去直径为1 nm 左右的颗粒，截留相对分子质量界限为200～1000，对一价盐的脱除率低于90%，对二价盐的脱除率高于90%由此可认为纳滤膜的孔径接近于反渗透膜，可称为无孔膜。纳滤膜大多为荷电膜，纳滤的原理为溶解—扩散模式，对溶质的分离由化学势梯度和电势梯度共同控制。

纳滤膜的特点

由于纳滤膜特殊的孔径范围和制备时的特殊处理( 如复合化、荷电化等) ，使其具有较特殊的分离性能。纳滤膜的一个很大特征是膜表面或膜中存在带电基团，因此纳滤膜分离具有两个特性，即筛分效应和电荷效应。分子量大于膜的截留分子量的物质，将被膜截留，反之则透过，这就是膜的筛分效应; 膜的电荷效应又称为Donnan效应，是指离子与膜所带电荷的静电相互作用。对不带电荷的分子的过滤主要是靠位阻效应即筛分效应，纳滤膜表面分离层可以由聚电解质构成，膜表面带有一定的电荷，大多数纳滤膜的表面带有负电荷，它们通过静电相互作用，阻碍多价离子的渗透，这是纳滤膜在较低压力下仍具有较高脱盐性能的重要原因。因此，作为一种新型的分离膜，同传统的膜分离过程相比，纳滤膜具有以下的特点:(1)具有纳米级孔径;(2)操作压力低;(3)较好的耐压密性和较强的抗污染能力;(4)可取代传统处理过程中的多个步骤，因而比较经济。纳滤技术填补了超

滤和反渗透之间的空白，它能截留透过超滤膜的小分子量有机物，透过被反渗透膜所截留的无机盐。纳滤与电渗析、离子交换和传统热蒸发技术相比，它可以同时脱盐兼浓缩，在有机盐与无机盐混合液的浓缩与分离方面具有无可比拟的优点。

国内外纳滤膜技术发展概况

国外进展

20 世纪80 年代开始, 美国Film tec 公司相继开发出N F- 40、N F- 50、N F- 70 等型号的纳滤膜。由于市场广阔, 世界各国纷纷立项, 许多公司如美国的Osmon ics 公司、Fluid systems公司, 日本的东丽和日东等公司, 都组织力量投入到开发纳滤技术的领域中。纳滤膜的品种不断增加, 性能不断提高。膜材料有醋酸纤维素系列, 芳香聚酰胺, 磺化聚醚砜等。膜的品种已经系列化, 膜的分离性能从对NaCl脱除率5%～ 10% 一直发展到85%。表1是国外一些商品膜型号及其性能。

国内进展

我国从20世纪80年代后期就开始了纳滤膜的研制。90年代研究的

单位不断增加, 如中科院大连化物所, 北京生态环化中心, 上海原子核所, 天津纺织工业大学, 北京工业大学, 北京化工大学等都相继进行了研究开发, 到目前为止, 大多数还处于实验室阶段, 真正达到工业化生产的只有二醋酸纤维素卷式纳滤膜和三醋酸纤维素中空纤维纳滤膜。国家海洋局杭州水处理中心从20世纪80年代后期开始纳滤膜的研究, 当时叫低压反渗透膜, 其后, 我们系统地进行了研究, 相继列入了国家科技攻关项目。经过“九五”期间努力攻关, 使二醋酸纤维素(CA)纳滤膜和三醋酸纤维素(CTA)中空纤维纳滤膜进入了工业化生产, 其性能达到国外同类产品的水平。纳滤复合膜目前还有些差距。

国产纳滤膜及其元件与国外同类产品的性能对比

纳滤膜在制药工业中的应用

1、氨基酸多肽的分离

离子与荷电膜之间存在道南( Donnan) 效应，即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽带有离子官能团如羧基或氨基，在等电点时是中性的，当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷。一

些纳滤膜带有静电官能团，基于静电相互作用，对离子有一定的截留率，可用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率几乎为零，因为溶质是电中性的，并且大小比所用的膜孔径要小。而对于偏于等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留则表现出较高的截留率，这是因溶质离子与膜之间产生静电排斥，即Donnan 效应而被截留。

2、抗生素的浓缩与纯化

由于纳滤膜具有分离高、节能、不破坏产品结构、少污染等特点，在医药产品生产中也得到了日益广泛的应用。抗生素原料一般在原料液中含量较少，浓度较低，用传统的结晶方法回收率低，损失大，真空浓缩则又会破坏其抗菌活性，而纳滤则不破坏生物活性且损失较少。抗生素的相对分子量大多在300 ～ 1200 范围内，其生产多采用发酵的方法。发酵生产的溶液经过滤除去生物残渣后，得到的滤液抗生素浓度往往很低。故通常采用溶剂萃取，对萃取液进行减压蒸馏。纳滤用于从发酵液中回收抗生素有两种方法: 一是仔细调节发酵液

的pH值和温度，用亲水性纳滤膜除去水合无机盐，将抗生素浓缩到溶解度极限附近，再用较小量的有机溶媒抽提; 二是仍用有机溶媒萃取抗生素，然后用疏水性纳滤膜浓缩，透过膜的有机溶媒可循环使用。纳滤膜在食品工业中的应用

1、低聚糖的分离

功能性低聚糖由于可以提高人体免疫功能、降低血脂、抗衰老、抗癌等多种生理功能而倍受人们关注。在低聚糖生产工艺中，分离出