浅析影响纳滤膜性能的主要因素

浅析影响纳滤膜性能的主要因素

摘要:纳滤技术在有机相中的应用越来越多,已广泛应用于医药、食品、精细化工及催化剂的回收利用等领域。本文比较详细的分析了纳滤膜的一般特点和影响纳滤膜性能的主要因素。

关键词:纳滤膜性能因素

纳滤是近年来发展起来的介于超滤和反渗透之间的一种新的膜分离过程,是目前国外膜分离领域研究的热点之一。由于纳滤膜在有机溶剂中不稳定,起初纳滤技术多应用于水相。随着耐溶剂纳滤膜的研制和商业化,纳滤技术在有机相中的应用越来越多。虽然水相在纳滤膜中传递机理比较成熟,但在有机相中的纳滤过程和水相中的存在较大差异,尚无法对有机相纳滤过程进行直接预测,所以探索有机相中纳滤机理和构造相应的纳滤模型已经成为当前急待解决的问题之一。

一、纳滤膜的一般特点

大部分纳滤膜为非对称薄层复合膜。一般认为纳滤膜是多孔性的,其平均孔径为1-2 nm。作为一般规律,通常纳滤膜的截断分子量1000而大于200。截留分子量范围比反渗透膜大而比超滤膜小,因此纳滤膜可以截留能通过超滤膜的溶质而让不能通过反渗透膜的容质通过,根据这一原理,可用纳滤来填补山超滤和反渗透所留下的空白部分。

二、影响纳滤膜性能的因素

纳滤膜的性能主要包括选择性、通量、截留能力及稳定性等。膜的选择性受膜孔径及其分布、组分在膜中溶解的扩散性、荷电性及密度、选择载体组分等因素的影响,膜的通量及截留率受膜厚度、驱动力、供料组成、供料组分性质、渗透压等因素的影响;膜的稳定性则受膜的化学和机械稳定性、吸附、组器构型、供料速率和切向速度等因素的影响。在实际操作过程中,膜的选择性往往已固定,可变的性能主要是膜的通量、截留能力和膜的稳定性。由于纳滤膜自身结构上的特殊性,其分离性能除与膜材料自身的性质及制膜工艺有关外,还受操作条件、物质性质和组件构型三个方面的影响,具体说来,可分为以下几个方面:

1、操作时间

通过用纳滤膜分离回收制药废水中林可霉素的实验也发现,即使料液是蒸馏水,且操作压力、流量、温度等其它因素不变的条件下,膜通量也会随着运行时间而下降,尤其在运行初期,通量下降较快,此后通量逐渐趋于稳定。产生此现象的原因估计是膜在一定压力下运行时被压实,此压实过程在初期是快速的,造成通量快速下降,此后压实作用逐渐变得困难从而通量渐渐趋于稳定。

2、溶质回收率

随溶质回收率的提高,水通量、溶质截留率均下降。溶质回收率越高,浓缩液的最终浓度也越高,此时料液的渗透压增大,有效操作压力下降,同时因浓度升高,膜污染加剧,也使通量下降。随料液浓度升高,溶质穿过膜的推动力变大,更多的溶质穿过膜进入透过液侧。根据溶质截留公式,纳滤膜对溶质的截留率下降。

3、浓差极化

浓差极化会增大膜内侧的渗透压,减小有效操作压力;此外,浓差极化现象会造成溶质在膜面的沉积形成阻力层,也会阻止溶剂的通过,即浓差极化的存在可降低纳滤膜的通量。浓差极化层对溶质渗透性的影响相对较复杂,浓差极化层中某些溶质的浓度比主体料液中的高,增大了这些溶质穿过纳滤膜的推动力,从而截留率降低。同时因浓差极化层的存在,增加了某些溶质的扩散阻力,从而又使这些溶质的渗透性降低。

4、共离子和道南离子效应

NF膜对离子的截留率受共离子的强烈影响。对同一种膜而言,在分离同种离子并在该离子浓度恒定条件下,共离子价数相等,共离子半径越小,膜对该离子的截留率越小。NF膜对二价离子的截留率较一价离子的截留率高得多。这主要是由于离子半径和离子的静电斥力作用影响造成的。Donnan离子效应是溶质截留的主要机理之一,对于处理不同自由离子的离子选择性膜,离子的分布平衡会导致离子穿过膜(穿透率随离子浓度而变),这就是Donnan效应。

5、离子浓度

离子浓度的增加会导致纳滤膜浓水侧的渗透压增大,降低有效渗透压力,从而使通量下降。此外高离子浓度也会降低膜与荷电粒子间的吸引或排斥力,使溶质的截留下降。水通量取决于进料液中离子浓度:高离子浓度会造成水通量的急剧减小;离子的截留率随离子浓度的增加而下降。用纳滤膜处理造纸厂废水时我们发现,盐浓度的增加降低通量并使COD和氯化物的截留率降低。

6、pH值

当pH值达到膜与溶质的等电点时,膜的截留率突然增大。对于荷正电的络合物,通量几乎不受溶液pH值的影响,而对于荷负电的络合物,随pH值升高,通量增大。用超滤/纳滤分离乳清蛋白质水解产物的实验中发现,当pH值从5增大9时,不仅通量增大,且降低了污染的趋势。在用纳滤膜处理造纸厂废水的实验中发现,pH值对于膜对各种物质截留能力影响较大,增pH值可提高膜的截留能力。

7、溶质的分子粒径和极性

分子粒径是影响纳滤膜截留性能的一个重要参数。很明显,小分子比大分子更易穿过膜,当分子粒径增大时,截留率往往上升。在NF膜的截留相对分子质里

以下,相对分子质量越小,截留相对分子质量越小的NF膜,对同一相对分子质量的有机物的截留率则越高。溶质分子的极性降低了纳滤膜的截留率。这是因为两极中带有与膜相反电荷的那一极更易于接近膜面,并且易进入膜孔与膜内部结构中,从而使截留率下降。与具有同样粒径的非极性分子相比,极性分子具有较低的截留率。

8、膜表面电荷

纳滤的分离性能不仅由其物理性能(含孔率、孔径分布)所决定,也由其表面荷电性决定脚]。膜面的电力学性质会影响膜的通量和选择性。当前所有的对膜截留或污染的研究工作都是基于表面相互作用,这些表面相互作用可以改变物种的迁移状况。膜表面负电荷越多,对荷负电的自然有机物的截留率越高。膜过程的设计和操作需要对膜性能(尤其是表面电荷)有所了解。膜的表面电荷能常常由zeta电位(或电动势)定性,它是膜面电荷重要而可靠的指示剂。

9、膜面形状和结构

膜面形状和结构会影响纳滤膜的透水率、截留率和胶体污染行为。不管膜表面性质如何,膜内质子旋转晶格松弛加强了膜的透过率。膜的压实可产生密实而紧凑的构造,从而减小了膜的有效孔径,可强化过滤过程的截留性能,更多的分子因较小的孔径而截留。同时因更密实的结构,膜的表面电荷密度也增加。电荷密度的增加,增加了对带同种电荷的分子的排斥作用,从而溶质的截留率上升。但纳滤膜的压实会导致通量的下降。

参考文献:

[1]陈一鸣,蔡惠如,刘玉荣.膜分离技术的现状及其在染料化工中的应用[,l.化工装各技术,2000,22(1):6一12

[4]Bhanushali D, Kloos S, Bhattacharyya D. Performanceof solvent-resistant membranes for non-aqueous systems:solvent permeation results and modeling[J]. Journal ofMembrane Science, 2001,189:1-21

[3]高以恒,叶凌碧.膜分离技术基础[M].北京:科学出版社,1989