纳滤技术的最新工业应用实例及工业发展前景

3）酵母生产
有效的处理。
酵母通常是用糖浆等糖类在嗜氧条件下发酵生产的。生产过程中
产生的废水中含糖类、深色素以及较高的BOD和COD。采用MF和NF工艺可进行
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应用与工程实例
5.1 NF的应用
5.1.2 在食品加工中的应用
4）低聚糖的分离和精制 低聚糖是两个以上单糖组成的碳水化合物，相对分子
质量数百至几千，主要用于食品工业，可改善人体内的微生态环境，提高人体免 疫功能，降低血脂，抗衰老抗癌，被称为原生素，具有很好的保健功能，因而得 到越来越广泛的应用。天然低聚糖通常是从菊芋或大豆中提取，大豆低聚糖从大
有令人惊奇的高通量特性，这些膜对水溶 纳滤膜的表面结构
液中的氯离子表现很高的渗透性，而对硫 酸根离子有很高的截留率。
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发展历程
1.1 NF技术的发明与命名
当时，以色列脱盐公司用“混合过滤” （Hybrid Filtration）来表示这种介于反渗 透膜和超滤膜之间的膜分离过程，称为“疏松
性反渗透”（Loose RO）；也有将其称作
试脱盐。实验结果表明，选择截留分子量为350的SNF-150纳滤膜是适宜的，并
具有很好的重现性。可使染料的着色强度达到150%左右，提高约50%。料液的 浓缩倍数达3倍，染料固含量提高到20%~30%，染料的损失率极低，副染料及未 完全反应的原辅材料可部分脱除，中试设备的平均膜通量在50L/(m2·h)以上。
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应用与工程实例
5.1 NF的应用
5.1.2 在食品加工中的应用
2）果汁浓缩 果汁浓缩可以减少体积，便于储存和运输，又可提高储存的稳定性。 传统上用蒸馏法或冷冻法浓缩，不但消耗大量能源工业，还会导致果汁风味和芳
香成分的散失。人们采取RO和NF连用方法，用于各种果汁的浓缩，既保证果汁
在浓缩过程中色、香、味不变，又节省了大量能源。采用该法将10%（质量分数） 葡萄糖溶液浓缩到45%所需能耗，仅为通常蒸馏法的1/8，冷冻法的1/5。
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制备与装置
4.1 NF膜的制备
三、复合法（用得最多且最有效的制备NF膜的方法） 原理就是在微孔基膜上复合上一层具有纳米级孔径的超薄表层（活性层）。 微孔基膜（多孔支撑体）的制备——烧结法和L-S相转化法 超薄表层制备及复合 ① 涂敷法（较为经典） ② 界面聚合法（最有效，该法所制得的NF膜品种最多、产量最大） ③ 化学蒸气沉积法（较新的方法） ④ 动力形成法（也较新的方法） 四、荷电化法 膜荷电后可提高膜的耐压密性、耐酸/碱性及抗污染性，提高水的通量。 荷电化的方法：表面化学处理法、由荷电材料通过L-S相转化法直接成膜、含浸 法、成互聚合法
（1972年NS-100）
1995年 开发
低压高截留率RO膜
NaCl截留率≥99% NTR-759H、 BW-30(即FT-30)、 SU-700
NF膜(疏松型RO膜))
NaCl截留率≤99% NTR-729HF、 NTR-7250 NTR-7400系、NF-45、 NF-70、NF-90、SU-200S SU-600
性能介于反渗透和超滤之间，允许一些无机盐和某些溶剂 透过膜，从而达到分离的效果。
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定义及特点
2.2 NF膜的特点
两个显著特征：一个是其截留分子量介于RO和UF之间，为200～2 000，因而推测NF的表面 分离层可能有1nm左右的微孔结构，即具有纳米级孔径；另一个是NF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（大多是复合型膜），对离子有静电相互作用。
豆乳清中分离得到。合成低聚糖则通过蔗糖的酶化反应制取。在上述两种情况下，
都可以用NF膜来分离和精制低聚糖。
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应用与工程实例
5.1 NF的应用
5.1.2 在食品加工中的应用
5）环糊精的生产 环糊精是通过液状淀粉在酶的作用下生产的。如果在反应过 程和后处理中加入膜处理步骤可以大大提高产率，UF膜能够分离出环糊精，同时 将活性酶返回反应釜，然后通过NF膜浓缩环糊精，浓缩物再进行喷雾干燥，从而 大大减少干燥费用。
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应用与工程实例
5.1 NF的应用
5.1.3 在染料工业中的应用
膜分离技术在染料脱盐、纯化、浓缩等方面的应用发展很快，对改善商品染料品
质作用显著，并能降低能耗。可用于提高各类染料，如酸性染料、活性染料、直
接染料等的纯度，制备性能更优良的液体染料和固体染料。厦大的周花等应用该 技术对浙江某染料厂生产的活性红3BS(相对分子质量约1000)进行了纳滤浓缩中
术之一。
目前纳滤已在生活用水，工业给水和废水的处理，食品，生化制药等 领域得到广泛的应用。
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发展历程
1.1 wk.baidu.comF技术的发明与命名
纳滤技术的起点来自于 20 世纪 70
年代 TilmTec 公司对 NS-300 的研究。 当时 John E Cadotte 在研究中发现将哌 嗪与 1.3.5-苯三甲酰氯结合，再与间苯二 甲氯混合，制备成一系列超薄层复合膜具
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制备与装置
4.2 NF膜的装置
与RO、UF装置一样，NF膜组件有4种形式： I. 卷式（最常见，主要用于脱盐及超纯水的制备） II. 中空纤维式（水的软化） III. 板框式（处理粘度较大的料液） IV. 管式（处理含悬浮物、高粘度的料液）
管式NF膜系统
螺旋卷式NF膜系统
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制备与装置
4.2 NF膜的装置
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NF的分离机理
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分离机理
3.1 传质机理
NF与UF、RO均是以压力差为推动力的膜过程，但它们的传质机理有所不同。 UF主要为孔流形式（筛分效应）；RO为溶解~扩散过程（静电效应）；而NF 介于它们两者之间，对无机盐的分离行为不仅受化学势控制，同时也受电势梯 度的影响。
NF膜NF对极性小分子有机物的选择性截留是基于溶质分子的尺寸和电荷。 （1）根据离子所带电荷选择性吸附在膜的表面； （2）在扩散、对流、电泳移动性能的共同作用下传递通过膜。
技术发展加速，学术论文数目激增，一批拥有核心技术的纳滤膜研发生产企业开 始涌现，如德国 Nanoton、荷兰 Lenntech 等。
2000 年后： 开始对纳滤防堵塞进行广泛深入研究，其他种类的纳滤膜开始出现，
比如陶瓷纳滤膜、耐溶剂型纳滤膜等。
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发展历程
1.3 NF技术发展过程
CA-RO膜的开发 RO复合膜的开发
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NF的应用与工程实例
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应用与工程实例
5.1 NF的应用
食品加工
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医药
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石油工业
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水处理
染料工业
废水
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应用与工程实例
5.1 NF的应用
5.1.1 在水处理中的应用
膜法软化水是NF膜的最重要的工业应用之一。NF膜一般可用于去除Ca2+、
Mg2+等硬度成分、三卤甲烷中间体（致癌物的一种前驱物）、异味、色度、农药、
45000mg/m3。由于含盐，所以既不能与正常的乳清混合，同时又不能直接排放。 用NF膜处理含盐乳清，可溶性盐透过NF膜，透过液可再利用或者直接排放，截
留浓缩物质则可返回重新利用。
有人对使用NF和RO进行了比较，结果表明，用NF能有效地除去杂味和盐味， 而且不破坏牛奶的风味和营养价值，综合评价高于其他处理方法。
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分离机理
3.2 传质模型
（2）电荷模型 又可分为空间电荷模型和固定电荷模型。 固定电荷模型假定膜是均质无孔的，在膜中的固定电荷分布是均匀的，它不考 虑孔径等结构参数，认为离子浓度和电势在传质方向上具有一定的梯度。该模 型首先用于离子交换膜，随后用来表征荷电型RO和NF膜的截留特性和膜电位。 空间电荷模型假设膜为有孔膜（毛细管通道），电荷分布在毛细管通道的表面， 离子浓度和电势能除了在传质方向分布不均外，在孔的径向也存在电势能分布 和离子浓度分布。该模型可表征电解质及其离子在荷电膜内的传递。
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分离机理
3.2 传质模型
（1）非平衡热力学模型 经典热力学研究体系的平衡或进行理想的、可逆的变化（即取无限个平衡状态 成一系列），对真实过程只研究其变化方向，而不考虑变化速率，即此学科没 考虑“时间”参数。 经典热力学也不适用于描绘生命体系，在这些体系中的特征是以物质流和能量 流表示平衡，且物质流和能量流不仅在体系内部，也涉及体系和环境之间。 非平衡热力学或称不可逆热力学是较近期发展的，它扩充了经典热力学的原理， 以不可逆物质和能量流为特征以表示平衡，引入了“时间”参数来处理流率。
受膜与离子间Donnan效应的影响，NF膜对不同价态的离子截留能力不同。 对于阴离子，截留率为NO3-＜Cl-＜OH-＜SO42-＜ CO32对于阳离子，截留率为H+＜Na+＜Ca2+＜Mg2+ NF膜能截留透过UF膜的那部分相对分子质量较小的有机物，而又能渗透被RO膜所截留的无 机盐。操作压力比RO低（一般低于1.0MPa），通量比RO大。
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分离机理
3.2 传质模型
（3）细孔模型 该模型考虑了溶质的空间位阻效应和溶质与孔壁之间的相互作用。可借助该模 型来确定膜的结构参数，也可适用于NF膜的结构评价。 （4）静电位阻模型 该模型将细孔模型和固定电荷模型结合起来。它假设膜分离层由孔径均一、表 面电荷分布均匀的微孔构成。它考虑了膜的结构参数对膜分离过程的影响，截 留率由道南效应与筛分效应共同决定。由于道南效应的影响，物料的荷电性， 离子价数，离子浓度，溶液pH值等对NF膜的分离效率有一定的影响。
可溶性有机物及蒸发残留物质，并在低压下实现水的软化及脱盐。 膜法软化水在美国已很普遍，佛罗里达州近10多年来新的软化水厂都采用膜
法软化。
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应用与工程实例
5.1 NF的应用
5.1.2 在食品加工中的应用
1）乳品加工 在食品加工中，乳清脱盐是NF膜最重要的应用。在奶制品加工中含盐乳清存
在着排放问题。乳清中含有4%~6%的NaCl和高达6%的乳清固体物，BOD达
“致密型超滤膜”，但都不能很好地表达其特 性。直到 1984 年，FilmTec 推出商用纳滤膜 模组，并根据其分离孔径为 1nm 左右而将这 种膜技术成为纳滤，并一直沿用至今。
纳滤膜的表面结构
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发展历程
1.2 NF技术发展大记事
1970 年代： 纳滤膜诞生于低压反渗透研究，优异奇特的性能立即吸引了膜技术
领域的极大关注。 1980 年代： “纳滤”被正式命名，相关产品进入商业领域，在水质软化、饮用 水中天然有机物（Natual Organic Matter，NOM）的去除中得到应用。 1987 年： 首篇有关“纳滤”的文献发表
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发展历程
1.2 NF技术发展大记事
1990 年代： 纳滤作为主流膜处理技术登上历史舞台，有关纳滤的科学研究增多，
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NF膜的制备与装置
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制备与装置
4.1 NF膜的制备
一、转化法 可分为UF膜转化法和RO膜转化法 UF膜转化法——先制得较小孔径的UF膜，然后对其进行热处理、荷电化后处
理，使膜表面致密化。
RO膜转化法——调整合适的有利于RO膜表面疏松化的工艺条件，如铸膜液中 添加剂的选择、各成分的比例及浓度等，使表层疏松化而制得NF膜。 二、共混法 将两种或两种以上的高聚物进行液相共混，通过合理调节铸膜液中各组分的相 容性差异及研究工艺条件对相容性的影响，可制备表层具有纳米级孔径的NF膜。 如CA-CTA纳滤膜的制备。
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应用与工程实例
5.1 NF的应用
5.1.4 在医药中的应用
纳滤技术目前在医药方面的应用主要集中在生化试剂生产上。生化试剂多具有热 敏性，在加工过程中易受热而被破坏。采用NF技术对生化试剂进行提纯与浓缩， 不仅可降低有机溶剂及水的消耗量，而且可将微量的有机污染物和低分子盐分除
去，最终达到节能降耗，提高产品质量的效果。
1996年 开发
超低压RO膜
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NF的定义及特点
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定义及特点
2.1 NF的定义
纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程， 纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右。 纳滤（NF）用于将相对分子质量较小的物质，如无机盐或 葡萄糖、蔗糖等小分子有机物从溶剂中分离出来。纳滤又
称为低压反渗透，是膜分离技术的一种新兴领域，其分离
纳滤技术的最新工业应用实例 及工业发展前景
环境与能源工程学院 Lin
CONTENTS
发展历程
1 4
定义及特点
分离机理
制备与装置
应用及工程实例
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3 6
发展前景
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NF的发展历程
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发展历程
纳滤是一种介于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术，截留分子量大 约在 100～1000范围，孔径约为几纳米，分离对象的粒径约为 1nm。 纳滤具有膜技术共同的高效节能的特点，是近来世界各国优先发展的膜技