纳滤过程原理综述

Vw 、Vs — ——水、溶质的真实摩尔体积
fwb — ——水（自由水）和膜间摩擦系数
纳滤过程原理综述
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尚洪涛 （中国神华煤制油化工有限公司 包头煤化工分公司公用工程中心，内蒙古 包头 014010）
【摘 要】本文介绍了纳滤的基本概念和特性，研究探讨了纳滤过程机理，并对纳滤技术的应用和发展前景做了展望。 【关键词】纳滤；过程机理；膜分离技术
Nanofiltration Process Principle Review SHANG Hong-tao
V軍fwb V軍w fsw
軍
軍
f（q）
軍 軍
軍
軍
軍
式 中 ：μ— — — 溶 液 粘 度
L— — — 膜 厚 度
g（q）、f（q）— — — 考 虑 孔 壁 影 响 的 修 正 因 数
D— — — 溶 质 扩 散 系 数
AK — ——膜总的孔道面积与膜有效面积比值
△Cs — ——膜两侧溶液的浓度差
CS — ——膜内溶质的平均浓度
固定电荷模 型 最 早 由 T. 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，其中电荷分布均匀。 固定电荷模型可以用于表征离 子交换膜、荷电型反渗透膜和超滤膜内的传递现象，描述膜浓差电位、 膜的溶剂和电解质渗透速率及其截留特性。
可得到细孔模型的通量方程。
引进参数 q=rs
rp
；位阻因子
sD
2
=（1-q）
2
2
sF ＝（1－q） （1＋2q－q ）
则通量公式为：
△ △ △ △ 2
Jv
＝
rp 8μL
2
△p
1-SF
（g（q）+
16q 9
f（q））
△π
軍 軍 軍 軍 軍
軍
Js ＝Df（q）SD
AK L
△Cs +Jv SF C軍s
△ g（q）+
个人认为：纳滤过程的机理有很多种，一次纳滤分离过程可能是 几种传质机理共同作用的结果。 比如用纳滤膜分离某一电解质溶液， 其过程就可能包含电荷模型、溶解-扩散模型、细孔模型等。
电荷模型根据对膜内电荷及电势分布情形的不同，分为空间电荷 模型和固定电荷模型。 空间电荷模型最早由 J.F.Osterle 等 人 提 出 ，假 设膜由孔径均一而且其壁面上电荷均匀分布的微孔组成，微孔内的离 子浓度和电场电势分布、 离子传递和流体流动分别由 Poisson- Boltzmann 方程，Nernst- Planck 方程和 Navier 一 Stokes 方程等来描述。 空 间电荷模型是表征电解质及离子在荷电膜内的传递等电动现象的理 想模型。
细孔模型在 Stokes- Maxwell 摩擦 模 型 的 基 础 上 引 入 立 体 阻 碍 影 响因素，该模型假定膜具有均一的细孔结构，膜孔为圆柱形，孔径为 rp 溶质为具 有 一 定 大 小 的 刚 性 小 球 ，其 半 径 为 rs，圆 柱 形 孔 内 充 满 静 止
的液体，溶质在孔内传递时所受到的推动力和阻力相当，以此为基础
根 据 分 离 的 对 象 不 同 ，还 可 以 将 纳 滤 膜 传 质 机 理 分 成 两 类 ： （1） 当 纳滤膜分离对象为非电解质溶液时，其传质模型不考虑电解质与膜表 面电荷的静电作用，主要有摩擦模型、空间位阻-孔道模型、溶解-扩散 模型、不完全的扩散-细孔流模 型 等 ；（2）当 纳 滤 膜 的 分 离 对 象 为 电 解 质溶液时， 其传质过程受膜表面电荷与电解质电荷作用的影响很大， 此时静电作用不能忽略，其代表性的传质模型有静电位阻模型和杂化 模型等。
纳滤作为一种新型的膜分离技术，在分离过程中表现以下几个特 性：（1）由于纳滤 膜 具 有 纳 米 级 的 孔 径 ，可 截 留 分 子 量 为 200～1000 的 物质；（2）纳滤膜大多是 复 合 膜 ，其 表 面 分 离 层 由 聚 电 解 质 构 成 ，因 而 对 无 机 盐 具 有 一 定 的 截 留 率 ；（3）纳 滤 过 程 中 所 需 的 操 作 压 力 比 反 的 渗 透过程的要低，一般在 0.5～2.0MPa，故有“低压反渗透”之称，操作压力 低使得分离过程动力消耗低，降低了设备的投资和运行费用。
2 过程原理
纳滤类似于超滤与反渗透，均属于压力驱动的膜过程。 但其传质 机理有所不同。 一般认为，超滤膜由于孔径较大，传质过程主要为孔流 形式，而反渗透膜通常属于无孔致密膜，溶解-扩散的传质机理能够满 意地解释膜的截留性能。 而大部分纳滤膜为荷电型，其对无机盐的分 离行为不仅受化学势控制，同时也受到电势梯度的影响，其确切的传 质机理至今尚无定论。 目前，纳滤膜传质机理被认为处于孔流机理和 溶解-扩散之间的过渡态， 可通过适用于较大孔径的宏观模型来分析 纳滤膜的传质过程。目前文献所表述膜的结构与性能之间关系的数学 模型有空间电荷模型、固定电荷模型等。
0 概述
纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动的膜分离过程，纳 滤膜的孔径范围在几个纳米左右，与超滤或反渗透相比，纳滤过程对 单价离子和分子量低于 200 的有机物截留较差，对二价或多价离子及 分子量介于 200～1000 之间的有机物有较高的脱除率， 弥补了反渗透 和超滤之间的空白。
1 纳滤过程的特性
（China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Baotou Chemical Company Baotou City, Baotou Inner Mongolia, China, 014010 ） 【Abstract】This paper introduces the basic concepts and characteristics of nanofiltration, researching NF process mechanism, and prospecting ap plication and development of NF. 【Key words】Process mechanism; Nanofiltration; Membrane separation technology