纳滤特性及分离过程

纳滤膜分离特性及使用和维护

一，纳滤膜分离技术的特点

20世纪80年代末期，随着新的制膜方法（如界面聚合法）的出现和制膜工艺的不断改进，一批新型复合膜（如疏松型反渗透膜和致密型超滤膜）得以问世，并受到人们的极大关注，现在人们习惯上将该类膜称为纳滤膜。纳滤膜分离过程无任何化学反应，无需加热，无相转变，不会破坏生物活性，不会改变风味，香味，因而被越来越广泛地应用于超纯水的制备，食品，医药等行业中的各种分离和浓缩过程。

作为一种新型分离技术，纳滤膜在其分离应用中表现出下列两个显著特征：一个是其截留分子量介于反渗透和超滤膜之间，为200~2000。故推测表面分离层可能拥有1nm左右的微孔结构，所以称之为“纳滤”；另一个是纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。从结构上来看纳滤膜大多是复合型膜，由表面分离层和它的支撑层组成，两者的化学组分不同。

二．纳滤膜的分离机理

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，分离规律：1）对于以下阴离子，截留率依次升高：NO3- ,CL-，OH-，SO42-，CO32-2）对于以下阳离子，截留率依次升高：H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cu2+

3) 1价离子渗透，多价离子截留．

纳滤膜对无机盐的截留可以用Donnan平衡模来解释：将纳滤膜置于含盐溶剂中时，溶液中反离子（所带电荷与膜内固定电荷相反的离子）在膜内浓度大于其在主体溶液中的浓度，而同名离子在膜内的浓度则低于其在主体溶液中的浓度．由此阻止了同名离子从主体溶液向膜内的扩散，为了保持电中性，反离子也被膜截留．纳滤膜中荷电基团大多为带负电的磺酸根及羧酸根。

纳滤膜的分离溶质的机理与反渗透膜是一样的，通过反渗透的方式进行分离：如图所示以一选择性透过溶剂水的膜将两溶液隔开，左边为纯溶剂水（A），右边为含溶质的稀溶液（B），开始时两边液面等高，即两边等压，等温。则纯水将透过膜向含溶质的稀溶液侧移动，则B溶液的液面将不断升高，这一现象称为渗透。待纯水的渗透过程达到定态后，溶液B的液位升高h不再变动，ρgh即表示B溶液的渗透压∏，渗透压也可表示为∏= C B RT （ C B为溶质在溶液中的摩尔浓度）从这可以看出渗透压与溶质的浓度是成正比关系的。若在右边加一个大于渗透压的静压力△P，使△P > ∏则纯水从右边向左边渗透，此称为反渗透。这样就可利用反渗透现象截留溶质而获得纯水，从而达到混合物分离的目的。因此进行反渗透的二个必要条件是：１，选择性透过溶剂的膜。２，膜两边的静压差必须大于其渗透压差。在实际反渗透过程中膜两边静压差还必须克服膜的阻力。

渗透平衡反渗透浓缩

三．影响纳滤膜速率主要因素

（1）膜的性能主要表现为溶剂透过系数A和溶质透过系数B的大小。显然，对膜分

离过程希望A值大而B值小。因此，膜的材料及制膜工艺是影响膜分离速率的主要因素。

（2）混合液的浓缩程度浓缩程度高，膜两侧浓度差大，渗透压差△∏相应的也就大。从而使得有效推动力△P降低而使溶剂的透过通量减少。而且料液浓度高易于引起膜的污染。

（3）浓差极化如图纳滤过程中，大部分溶质在膜表面截留，从而在膜的一侧形成溶质的高浓区。当过程达到定态时，料液侧膜表面溶液的浓度x3x3

显著高于主体溶液浓度x1。这一现象称为浓差极化。近膜处x1

溶质的浓度边界层中，溶质将反向扩散进入料液主体。由于存在浓差极化使膜面x3增高。加大了渗透压△∏，在一定压差△P下使溶剂的透过速率下降。同时X3高使溶质的透过速率提高，即截留率下降。由此可知，在一定的截留率下由于浓差极化的存在使透过速率受到限制。此外，膜面含量X3升高，可能导致溶质的沉淀，额外增加了膜的透过阻力。因此，浓差极化是纳滤过程中的一个不利操作因素。减轻浓差极化的根本途径是提高传质系娄。通常采用的方法是提高料液的流速和在流道中加入内插件以增加湍流程度。也可以在料液的定态流动基础上人加上一个脉冲流动。此外，可以在管状组件内放入玻璃小珠，它在流动时呈流化状态，玻璃小珠不断撞击膜壁从而使传质系数大为增加。

四纳滤膜组件及其使用方式

纳滤膜组件主要形式有卷式，中空纤维式，管式及板框式等。卷式，中空纤维式膜组件由于膜的充填密度大，单位体积膜组件的处理量大，而常用于水的脱盐软化处理过程。而对含悬浮物，粘度较高的溶液则主要采用管式及板框式膜组件。工业上应用最多的是卷式膜组件，它占据了绝大多数陆地水脱盐和超纯水制备市场。

为了使膜装置得到较高的回收率常常多个膜元件（2~6个）串联起来放置在一个压力容器中。膜组件的使用方式（如下图）有简单的单段式，多段式以及部分循环式。单段式适于处理量较小回收率要求不高的场合，部分循环式适于处理理较小并对回收率有要求的场合，而多段式处理量较大并可达到较高的回收率。

原液原液浓缩液

单段式部分循环式

透过液

多段式

为了运用纳滤技术实现大分子与低分子溶质的有效分离（在生物技术或制药和药和食品

工业中经常遇到这种问题），常常将截留物用溶剂（水）稀释而将低分子溶质冲走，这种操作被为透滤（稀释）法，如图，透滤操作是为了达到更好的分离和净化效果而采用的一种操作方法

原液

五纳滤膜分离系统设计中的注意事项

1）操作压力

操作压力越高，透过膜的水通量越大，但是高压下导致膜的致密化会使得水通量降低。通常膜系统有两种操作方式，即恒定压力操作法和恒定通量操作法。前者保持操作压力一定，膜的水通量随着膜面污染而减少，导致实际处理量的降低：后者为了保持膜的水通量一定，伴随膜面污秽不断升高操作压力，而不断升高的操作压力则可能导致膜的致密化。当操作压力达到所定值时，需要对膜进行清洗。

膜装置进出口的压力差变化直接反映了膜组件内部的流动状况，反映料液在膜组件内流动是否均匀。

2）操作温度

温度对透过膜的水通量影响较大，有关研究说明膜的纯水渗透系数与水的粘度的乘积不随温度改变而变化。为了正确评价膜性能必须选择某个温度作为基准，根据粘度随温度的变化规律，推测出25℃附近水温每升高1℃，水通量增加2.5%。但是必须注意的是，温度过高则可能导致膜的致密化。

3）操作流量

膜分离系统需根据膜组件内部膜与膜之间的间距确定适宜的操作流量。例如某卷式膜组件内膜间距为0.07cm，膜面流速可控制在8~12cm/s。提高膜面流速有利于抑制膜面的浓差极度化，但同时增大了膜组件进出口的压力差使得膜的有效操作压力降低。

六纳滤膜的污染和劣化以及相应的处理方法

1）膜的污染和劣化

纳滤膜组件的分离性能可能会因为膜的污染或劣化而化生变化，膜的污染和劣化的分类及其产生原因列于下表

渗透压

滤饼层：悬浮物

附着层—凝胶层：水溶性大分子]

膜组件的结垢层：难溶性物质

性能变化污染—吸附层：水溶性大分子

空间位阻：悬浮物，水溶性性分子

孔堵塞表面吸附：水溶性分子

析出：难溶性物质

劣化—化学性劣化：水解，氧化反应

物理性劣化：高压致密，干燥

微生物劣化：生物降解膜反应

膜的劣化是指膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素导致了膜性能变化。化学性劣化