纳滤膜分离技术综述

学校代码：__11059__

学号：1302021005

Hefei University

下游处理技术

XIAYOUC HULIJIS HU

论文题目：纳滤膜分离技术综述

学位类别：本科

学科专业：生物技术

作者姓名：方婷

导师姓名：于宙

完成时间：2016.5.11

纳滤膜分离技术综述

摘要：

纳滤技术是一种介于超滤和反渗透之间的新型分离技术，本文介绍了纳滤膜的特性及其独特的分离特点，高分子纳滤膜的几种主要制备方法的制备原理、制备要点，综述了纳滤膜的特点,包括纳米级孔径,膜体带有电性基团,操作压力低,对二价和高价离子的截留率极高。介绍了纳滤膜在食品中以及水处理中的应用。

关键词:膜分离；纳滤膜；分离机理；水处理；食品应用

纳滤膜最早出现于20世纪70代末是介于超滤膜和反渗透膜之间的压力驱动膜，曾被称为低压反渗透膜、疏松反渗透膜等，是近年来国际上发展较快的新型膜分离技术。纳滤膜在应用中具有两个显著特点：（1）物理截留或截留筛分效果。能截留相对分子质量200~2000，分子大小约为1nm的溶解组分；（2）荷电性。对无机盐有一定的截留率其中对单价离子的截留率较低，对二价及多价离子的截留率则较高[1] 。

一、纳滤膜分离简介

1、纳滤膜定义

纳滤膜早期称为“低压疏松型反渗透膜”，是80年代初继典型的反渗透复合膜之后开发出来的[2]。其准确的定义到目前为止，学术界还没有一个统一的解释，这里暂表达如下:孔径范围介于1~5nm，操作压力小于1.5MPa，截留分子量界限200~1000Dalton。对二价及多价离子有很高的去除率，达90%以上，对单价离子的截留率小于80%。纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷，这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能且截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因[3]。

2、纳滤膜的特点

2.1 不同价态离子截留效果不同。对单价离子的截留率低，对二价和多价离子的

截留率明显高于单价离子。对阳离子的截留率依据H+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，，Cu2+的顺序递增；对阴离子的截留率依据NO-3，Cl-，OH-，SO2-4，CO2-3的顺序递增。

2.2离子截留受共离子影响。在进行同种离子分离时，有相等的共离子价数，膜对离子的截留率随共离子半径变小而减小，随共离子价数增大而增高。

2.3较强抵抗蛋白质、油、疏水型胶体及其它有机物的污染，与RO，NF 相比具有水通量大、操作压力低的特点。与MF，NF 相比截留分子量界限更低，能有效去除如致突变物、农药等微量有机物、消毒副产物的前驱物等许多中等分子量的溶质。

3、纳滤膜分离机理：

纳滤类似于反渗透和超滤，均属于压力驱动的膜过程，但其传质机理却有所不同。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－扩散的传质机理能成功解释其截留性能。而纳滤膜一般是荷电型膜，其对无机盐的分离不仅受化学势控制，同时也受电势梯度的影响，对中性不带电荷的物质（如葡萄糖、麦芽糖等）的截留则是由膜的纳米级微孔的分子筛效应引起的，但其确切传质机理至今尚无定论。

在膜的研制过程中，人们总是希望能定量地预测膜的性能。因为这不仅能使现存的设备优化，而且能拓宽膜的应用范围。但是由于纳滤膜的孔径处于纳米数量级，由此产生的问题就是应该将纳滤膜描述成有孔膜还是无孔膜。若描述成有孔膜，则需要描述溶质在仅比水分子大几倍的微孔中的传质过程，且在此情况下，用来描述宏观现象的流体动力学等理论是否适用还是个问题。如果描述成无孔膜，但它的真实孔径又比反渗透膜大，用反渗透的溶解－扩散理论来描述它肯定不合适。另外纳滤膜多为荷电膜，电势梯度的影响不容忽视。所以说，纳滤膜过程是个非常复杂的过程。但到目前为止，从人们对荷电溶质以及中性溶质在纳滤膜中传质的大部分研究结果来看，纳滤膜应该有很多纳米级的毛细管通道。3．1 膜过程的不可逆热力学模型

对于液体膜分离过程，其传质现象通常用非平衡热力学模型来表征。纳滤

膜分离过程与微滤、超滤、反渗透膜分离过程一样，以压力差为驱动力，其通量可以由非平衡热力学模型建立的现象论方程式来表征，方程式中的系数被称为膜的特征参数，膜特征参数可以通过关联膜过滤实验数据求得，如可根据纯水透过实验数据确定膜的纯水透过系数。根据膜对单组分溶质的截留率随溶剂透过通量变化的实验数据关联得到膜的反射系数和溶质透过系数。如果已知膜的结构特性，上述膜特征参数则可以根据数学模型来确定，从而无需进行实验即可表征膜的传递分离机理。表述膜的结构特性与特征参数之间关系的数学模型有电荷模型、细孔模型等。

3．2 空间位阻－孔道模型该模型假定多孔膜具有均一的细孔结构，溶质为具有一定大小的刚性球体，且圆柱孔壁对穿过其圆柱体的溶质的孔壁影响很小。该模型需知道膜的微孔结构和溶质大小,然后就可运用细孔模型计算出膜参数，从而得知膜的截留率与膜透过体积流速的关系。反之，如果已知溶质大小，并由其透过实验得到膜的截留率与膜透过体积流速的关系从而求得膜参数，也可以借助于细孔膜型来确定膜的结构参数。在该模型中孔壁效应被忽略，仅对空间位阻进行了校正。

3．3 溶解－扩散模型[4]

①溶解－扩散模型。该模型假定溶质和溶剂溶解在无孔均质的膜表面层内，然后各自在化学位的作用下透过膜，溶质和溶剂在膜相中的扩散性存在差异，这些差异对膜通量的影响很大。该模型是以纯扩散为基础的模型，适用于水含量（容纳量）低的膜。②不完全的溶解－扩散模型。该模型是溶解－扩散模型的扩展，它把溶剂和溶质在微孔中的流动也包括进去。该模型承认在膜的表面存在不完善、不完美之处（缺点、孔），溶剂和溶质可通过它们流过。

3．4 Donnan 平衡模型将荷电基团的膜置于盐溶液时，溶液中的反离子在膜内的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低于其在主体溶液中的浓度。由此形成了Donnan 位差，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，反离子同时被膜截留。该模型是把截留率看作膜的电荷容量、进料液中溶质的浓度以及离子的荷电数的函数来进行预测的，但没考虑扩散和对流的影响，而这些作用在真实的荷电膜中的影响不容忽视。