纳滤膜的结构控制与制备

纳滤膜的结构控制与制备

摘要摘要:

:通过分析纳滤膜结构、性能与制备过程，本文初步概括纳滤膜的制备过程中的结构控制的制备过程中的结构控制，，初步设想出聚砜与初步设想出聚砜与聚丙烯腈聚丙烯腈聚丙烯腈复合纳滤膜的复合纳滤膜的制备。

1、引言

1.11.1纳滤膜概况：

纳滤膜概况：膜是一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料，它能把流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质透过，其它物质被截留来完成分离。

纳滤(NF)是介于RO 和UF 之间的一种压力驱动型膜分离技术。主要是芳香族聚酰胺复合纳滤膜、醋酸纤维素不对称纳滤膜、聚哌嗪酰胺类复合纳滤膜和磺化聚醚砜类复合纳滤膜。其截留分子量在100～1000的范围内，孔径为几纳米，通常截留率范围在60～90%。

纳滤基本原理：对盐的截留性能：主要依靠离子与膜之间的静电作用。价态不同，截留程度不同。大致分离规律为：

（1）对于阴离子，截留率按下列顺序递增；

NO 3-,Cl -,OH -,SO 42-,CO 3

2-

（2）对于阳离子，截留率递增顺序为：

H +,Na +,K +,Ca 2+,Mg 2+,Cu 2+（3）一价离子渗透，多价阴离子滞留（高截留率）

1.21.2纳滤膜分离特点及机理：

纳滤膜分离特点及机理：1.2.1纳滤膜大部分为荷电膜，包括荷正电膜、荷负电膜和双极

膜等。分离行为不仅受化学势控制，同时也受电势梯度的影响，传质机理比较复杂。纳滤膜的分离同时具有两个特性：筛分效应和电荷效应。分子量大于纳滤膜孔径的物质，被膜所截留，称为膜的筛分效应；而溶液中的高价离子与纳滤膜上所载电荷间有静电相互作用，被膜所截留，称为膜的电荷效应，又称为Donnaa效应。

1.2.2纳滤膜主要的分离特点可以总结如下：

（1）具有纳米级孔径，分离对象主要为粒径1nm左右的物质，特别适于分子量为数百至2000的物质分离，相当于分子尺寸为1衄左右的溶解；

（2）操作压力低，一般低于1MPa，远小于反渗透所需操作压力（几个到几十个MPa)，也被称为低压或疏松型反渗透。较低操作压力意味着对分离系统的动力设备要求降低，因而设备投资和运转成本都比反渗透低。

（3）功能多样化，例如水的软化，一次性就将钙镁以及有机物去除，对不同价态离子的截留效果不同，对离子的截留受离子的价电荷数和离子半径的影响，对单价离子的截留率低，对二价和高价离子的截留率高。如离子的价电荷数相同，则离子半径越大，膜对该离子的截留率越大。

（4）较好的耐压密性和较强的抗污染能力。由于钠滤膜多为复合膜和荷电膜，因而耐压密性和抗污染能力较强，具有高效节能的特点。

1.2.3目前常用来解释纳滤传质过程的模型有非平衡热力学模

型、空间电荷模型、固定电荷模型、杂化模型、静电位位阻模型、溶解．扩散模型、不完全溶解．扩散模型等。

非平衡热力学模型把膜当作一个“黑匣子”，以化学位为驱动力，产生流体及离子流动。推动力和流动之间的关系用唯象方程式表示，方程式中的系数称为特征参数，包括膜的反射系数、溶质透过系数及纯水透过系数，膜特征参数通常可以通过关联透过实验数据求得。

空间电荷模型(Space Charge Model)t4】最早由Osterle等提出，该模型假设膜由孔径均一且其壁面上有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—Boltzrnann方程、Nernst．Planek方程和Navier-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及动电现象的理想模型。

固定电荷模型(Fixed—Charge Model)15]最早由Teorell、Meyer 和Sievers等提出，因而也称为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、贡献相同。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、膜的溶剂及电解质渗透速率及其截留特性。

杂化模型(Hybrid Model)161Bowen和Mukhtar提出，该模型将纳滤膜看成是均质无孔膜，但其中包括了离子在局部区域进行传质时的扩散和对流阻碍因子(Hindrance factors)。阻碍因子可以通过计算一个溶质进入毛细管通道时所受到的拖牵力而得到。该模型是在膜

的结构与荷电性能(有效膜孔径，膜厚／孔隙率比例和有效电荷密度)的基础上对纳滤膜的截留性能进行预测的。该模型同样是用Nernst．Planck方程描述离子的传质过程，用阻碍因子和有效孔径可以准确预测纳滤膜的分离性能。

静电排斥和立体阻碍模型(Electrostatic and Steric-hindrance Model)，又可简称为静电位阻模型。静电位阻模型假定膜分离层由孔径均一、表面电荷分布均匀的微孔构成，其结构参数包括孔径，开孔率，孔道长度等，电荷特性参数则表示为膜的体积电荷密度(或膜的孔壁表面电荷密度)。根据上述膜的结构参数和电荷特性参数，即可预测己知分离体系通过膜的分离特性。

纳滤膜制备：

1.3纳滤膜制备：

1.3

(1)转化法

转化法是调节工艺条件制得小孔径的超滤膜，然后再对其进行改性如：热处理、荷电化等使膜表层致密化制得纳滤膜。

(2)复合法

复合法是在微孔基膜上复合上一层具有纳米级的孔径的超薄表层。该法是目前广为应用且很有效的制备纳滤膜的方法之一，其中包括两个步骤：Ⅰ微孔基膜的制备，Ⅱ超薄表面功能层的制备。

微孔基膜的制备有二种方法，一为烧结法；可由无机陶土或金属氧化物高温烧结而成，也可以由高聚物粉末(PVC)热熔而成；另一种为L．S相转化法可由单一的高聚物形成均相膜，如聚醚砜超滤膜，也可由2种或者2种以上高聚物经液相共混形成合金基膜。