納濾膜分離技術(shù)綜述

1、hefe i un i vers i ty下游處理技術(shù)xiayouchulijishu論文題目：納濾膜分離技術(shù)綜述學(xué)位類別：本科學(xué)科專業(yè)：生物技術(shù)作者姓名：方婷導(dǎo)師姓名：于宙納濾膜分離技術(shù)綜述摘要：納濾技術(shù)是一種介于超濾和反滲透之間的新型分離技術(shù)，本文介紹了納濾膜的 特性及其獨(dú)特的分離特點(diǎn)，高分了納濾膜的幾種主耍制備方法的制備原理、制備 要點(diǎn)，綜述了納濾膜的特點(diǎn)，包括納米級(jí)孔徑，膜體帶冇電性基團(tuán)，操作壓力低, 對(duì)二價(jià)和高價(jià)離子的截留率極高。介紹了納濾膜在食品中以及水處理中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:膜分離；納濾膜；分離機(jī)理；水處理；食品應(yīng)用納濾膜最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70代末是介于超濾膜和反滲透膜之間的壓力驅(qū)

2、動(dòng) 膜，曾被稱為低壓反滲透膜、疏松反滲透膜等，是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展較快的新型 膜分離技術(shù)。納濾膜在應(yīng)用中具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：(1)物理截留或截留篩分效果。 能截留相對(duì)分子質(zhì)量2002000,分子大小約為inin的溶解組分；(2)荷電性。 對(duì)無(wú)機(jī)鹽有一定的截留率其中對(duì)單價(jià)離了的截留率較低，對(duì)二價(jià)及多價(jià)離了的截 留率則較高。、納濾膜分離簡(jiǎn)介1、納濾膜定義納濾膜早期稱為“低壓疏松型反滲透膜”，是80年代初繼典型的反滲透復(fù)合 膜之后開(kāi)發(fā)出來(lái)的。其準(zhǔn)確的定義到口前為止，學(xué)術(shù)界還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的解釋, 這里暫表達(dá)如下:孔徑范圍介于r5nm,操作壓力小于1. 5mpa,截留分子量界限 2001000daltono

3、對(duì)二價(jià)及多價(jià)離子冇很高的去除率，達(dá)90%以上，對(duì)單價(jià)離子 的截留率小于80%。納濾膜的一個(gè)很大特征是膜本體帶有電荷，這是它在很低壓 力下仍具冇較高脫鹽性能且截留分子量為數(shù)百的膜也可脫除無(wú)機(jī)鹽的重要原因 32、納濾膜的特點(diǎn)2.1不同價(jià)態(tài)離子截留效果不同。對(duì)單價(jià)離子的截留率低，對(duì)二價(jià)和多價(jià)離子的截留率明顯高于單價(jià)離子。對(duì)陽(yáng)離子的截留率依據(jù)h+, na+, k+, mgh ca2+,* cu2+ 的順序遞壇；對(duì)陰離子的截留率依據(jù)n(t, cr, 0h s02'4, c()2”的順序遞增。22離子截留受共離子影響。在進(jìn)行同種離子分離時(shí)，冇相等的共離子價(jià)數(shù)，膜 對(duì)離了的截留率隨共離了半徑變小而減

4、小，隨共離了價(jià)數(shù)增大而增高。2. 3較強(qiáng)抵抗蛋口質(zhì)、油、疏水型膠體及其它有機(jī)物的污染，與ro, nf相比具 冇水通量大、操作壓力低的特點(diǎn)。與mf, nf相比截留分子量界限更低，能冇效 去除如致突變物、農(nóng)約等微量有機(jī)物、消毒副產(chǎn)物的麗驅(qū)物等許多中等分了量的 溶質(zhì)。3、納濾膜分離機(jī)理:納濾類似于反滲透和超濾，均屈于壓力驅(qū)動(dòng)的膜過(guò)程，但其傳質(zhì)機(jī)理卻有所 不同。一般認(rèn)為，超濾膜由于孔徑較大，傳質(zhì)過(guò)程主要為孔流形式，而反滲透膜 通常屬于無(wú)孔致密膜，溶解一擴(kuò)散的傳質(zhì)機(jī)理能成功解釋其截留性能。而納濾膜 一般是荷電型膜，其對(duì)無(wú)機(jī)鹽的分離不僅受化學(xué)勢(shì)控制，同時(shí)也受電勢(shì)梯度的影 響，對(duì)屮性不帶電荷的物質(zhì)(如葡萄糖

5、、麥芽糖等)的截留則是由膜的納米級(jí)微 孔的分了篩效應(yīng)引起的，但其確切傳質(zhì)機(jī)理至今尚無(wú)定論。在膜的研制過(guò)程中，人們總是希望能定量地預(yù)測(cè)膜的性能。因?yàn)檫@不僅能使 現(xiàn)存的設(shè)備優(yōu)化，而月能拓寬膜的應(yīng)用范圍。但是由于納濾膜的孔徑處于納米數(shù) 量級(jí)，由此產(chǎn)生的問(wèn)題就是應(yīng)該將納濾膜描述成有孔膜還是無(wú)孔膜。若描述成有 孔膜，則需要描述溶質(zhì)在僅比水分子大幾倍的微孔中的傳質(zhì)過(guò)程，且在此情況下， 用來(lái)描述宏觀現(xiàn)象的流體動(dòng)力學(xué)等理論是否適用述是個(gè)問(wèn)題。如果描述成無(wú)孔膜, 但它的真實(shí)孔徑乂比反滲透膜大，用反滲透的溶解一擴(kuò)散理論來(lái)描述它肯定不合 適。另外納濾膜多為荷電膜，電勢(shì)梯度的影響不容忽視。所以說(shuō)，納濾膜過(guò)程是 個(gè)非常

6、復(fù)朵的過(guò)程。但到目前為止，從人們對(duì)荷電溶質(zhì)以及中性溶質(zhì)在納濾膜中 傳質(zhì)的人部分研究結(jié)果來(lái)看，納濾膜應(yīng)該冇很多納米級(jí)的毛細(xì)管通道。3. 1膜過(guò)程的不可逆熱力學(xué)模型對(duì)于液體膜分離過(guò)程，其傳質(zhì)現(xiàn)象通常用非平衡熱力學(xué)模型來(lái)表征。納濾 膜分離過(guò)程與微濾、超濾、反滲透膜分離過(guò)程一樣，以壓力差為驅(qū)動(dòng)力，其通量 口j以出非平衡熱力學(xué)模型建立的現(xiàn)象論方程式來(lái)表征，方程式中的系數(shù)被稱為膜 的特征參數(shù)，膜特征參數(shù)可以通過(guò)關(guān)聯(lián)膜過(guò)濾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得，如可根據(jù)純水透過(guò) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定膜的純水透過(guò)系數(shù)。根據(jù)膜對(duì)單組分溶質(zhì)的截留率隨溶劑透過(guò)通量 變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到膜的反射系數(shù)和溶質(zhì)透過(guò)系數(shù)。如果已知膜的結(jié)構(gòu)特性, 上述膜特征

7、參數(shù)則可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型來(lái)確定，從而無(wú)需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)即可表征膜的傳 遞分離機(jī)理。表述膜的結(jié)構(gòu)特性與特征參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型冇屯荷模型、細(xì) 孔模型等。3. 2空間位阻一孔道模型該模型假定多孔膜具有均一的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)為具有 一定大小的剛性球體，且圓柱孔壁對(duì)穿過(guò)其圓柱體的溶質(zhì)的孔壁影響很小。該模 型需知道膜的微孔結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)大小，然后就可運(yùn)用細(xì)孔模型計(jì)算出膜參數(shù)，從而 得知膜的截留率與膜透過(guò)體積流速的關(guān)系。反之，如果已知溶質(zhì)大小，并由其透 過(guò)實(shí)驗(yàn)得到膜的截留率與膜透過(guò)體積流速的關(guān)系從而求得膜參數(shù)，也可以借助于 細(xì)孔膜型來(lái)確定膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在該模型中孔壁效應(yīng)被忽略，僅對(duì)空間位阻進(jìn)行 了校正。3. 3溶解一

8、擴(kuò)散模型溶解一擴(kuò)散模型。該模型假定溶質(zhì)和溶劑溶解在無(wú)孔均質(zhì)的膜表面層內(nèi)， 然后各自在化學(xué)位的作用下透過(guò)膜，溶質(zhì)和溶劑在膜相中的擴(kuò)散性存在差異，這 些差異對(duì)膜通量的影響很大。該模烈是以純擴(kuò)散為基礎(chǔ)的模世，適用丁水含量（容 納量）低的膜。不完全的溶解一擴(kuò)散模型。該模型是溶解一擴(kuò)散模型的擴(kuò)展， 它把溶劑和溶質(zhì)在微孔中的流動(dòng)也包括進(jìn)去。該模型承認(rèn)在膜的表面存在不完善、 不完美之處（缺點(diǎn)、孑l）,溶劑和溶質(zhì)可通過(guò)它們流過(guò)。3. 4 donnan平衡模型將荷電基團(tuán)的膜置于鹽溶液時(shí)，溶液中的反離了在膜內(nèi) 的濃度人于其在主體溶液中的濃度，而同名離子在膜內(nèi)的濃度低于其在主體溶液 屮的濃度。由此形成了 donna

9、n位差，阻止了同名離子從主體溶液向膜內(nèi)的擴(kuò)散。 為了保持電中性，反離子同時(shí)被膜截留。該模型是把截留率看作膜的電荷容量、 進(jìn)料液中溶質(zhì)的濃度以及離子的荷電數(shù)的函數(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的，但沒(méi)考慮擴(kuò)散和對(duì) 流的影響，而這些作用在真實(shí)的荷電膜中的影響不容忽視。3. 5擴(kuò)展的nernstplank方程模型擴(kuò)展的nernstplank方程用于描述離 子通過(guò)荷電膜的傳遞。該模型忽略加壓擴(kuò)散的局部相關(guān)性，同時(shí)認(rèn)為膜內(nèi)各種離 子滿足電屮性條件，它是納濾法處理含鹽溶液過(guò)程屮傳質(zhì)的基礎(chǔ)，但因在模型屮 涉及十兒個(gè)參數(shù)，無(wú)法得到準(zhǔn)確定量值，即使是簡(jiǎn)單的二元混合物在等溫情況下 也含七個(gè)參數(shù)，難以求解，因而很少應(yīng)用。但利用該模型可

10、定性地了解傳質(zhì)過(guò)程 中的特點(diǎn)和分離趨勢(shì)。3. 6電荷模型根據(jù)對(duì)膜內(nèi)電荷及電勢(shì)分布情形的不同，電荷模型分為空間電荷 模型和固定電荷模型。空間電荷模型最早由0sterle等提出，該模型假設(shè)膜由孔 徑均一而且其壁面上電荷均勻分布的微孔組成，微孔內(nèi)的離了濃度和電場(chǎng)電勢(shì)分 布、離子傳遞和流體流動(dòng)分別出poisson bo 11zmann方程、nernst plank方 程和navierstokes方程等來(lái)描述。空間電荷模型是表征電解質(zhì)及離子在荷電膜 內(nèi)的傳遞及動(dòng)電現(xiàn)彖的較為理想的模型oruckenstein等運(yùn)用空間電荷模型進(jìn)行 了電解質(zhì)溶液滲透過(guò)程的溶劑（水）滲透通量、離子截留率及電氣粘度的數(shù)值計(jì) 算

11、等，討論了膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)及電荷密度等影響因素。anderson等根據(jù)空間電 荷模型對(duì)微孔荷屯膜的動(dòng)屯現(xiàn)象進(jìn)行了較為詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算，并對(duì)根據(jù)雙電層理 論推導(dǎo)的膜的表面zeta電位與膜的流動(dòng)電位關(guān)聯(lián)方程helmholtz- smoluchowsk式的適用范圍進(jìn)彳亍了討論。smit等將空間電荷模型與非平衡熱力 學(xué)模型相結(jié)合，從理論上描述了反滲透過(guò)程屮荷電膜膜內(nèi)離子的傳遞現(xiàn)象。但是 由于運(yùn)用空間電荷模型時(shí)，需要對(duì)poisson-boltzmann方程等進(jìn)行數(shù)值求解, 其計(jì)算工作十分繁重，因此它的應(yīng)用受到了一定的限制。在同定電荷模型中，假設(shè)膜相是一個(gè)凝膠層而忽略膜的微孔結(jié)構(gòu)，膜相屮電 荷分布均勻，僅在膜面

12、垂直方向因donnan效應(yīng)和離了遷移存在一定的電勢(shì)分布 和離子濃度分布。該模型的特點(diǎn)是數(shù)學(xué)分析簡(jiǎn)單，未考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)（如孔徑）， 假定固定電荷在膜屮分布是均勻的，有一定的理想性。當(dāng)膜的孔徑較大時(shí)，固定 電荷、離子濃度以及電位均勻分布的假設(shè)不能成立，因而固定電荷模型的應(yīng)用受 到一定限制。比較以上兩種模型，固定電荷模型假設(shè)離子濃度和電勢(shì)在膜內(nèi)任意 方向分布均一，而空間電荷模型則認(rèn)為兩者在徑向和軸向存在一定的分布，因此 認(rèn)為固定屯荷模型是空間屯荷模型的簡(jiǎn)化形式。3.7靜電排斥和立體位阻模型該模型既考慮了細(xì)孔模型所描述的膜微孔對(duì) 中性溶質(zhì)大小的位阻效應(yīng)，又考慮了固體電荷所描述的膜的帶電特性對(duì)離子的靜 電

13、排斥作用，因而該模型能夠根據(jù)膜的帶電細(xì)孔結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)的帶電性及大小來(lái)推 測(cè)膜對(duì)帶電溶質(zhì)的截留性能。為了檢驗(yàn)該模型，wang等。二、納濾膜分離技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用（一）、在食品上的應(yīng)用為提高食詁質(zhì)量和檔次，食詁用水應(yīng)當(dāng)凈化。近年來(lái)，生產(chǎn)和生活屮大量使 用的農(nóng)藥、化肥和洗凈劑等有機(jī)化合物，造成對(duì)水環(huán)境的污染。人們通入到水中 殺菌的氯氣，會(huì)和水屮冇機(jī)化合物生成三鹵代坯類物質(zhì)，對(duì)人們健康造成更大 危害。傳統(tǒng)的凈水方法不容易除去這些低分了量的有機(jī)物。納濾膜對(duì)這些低分了 量的冇機(jī)物截留率可以達(dá)到87%98%,在脫鹽的同時(shí)，冇效地除去了這些冇害 物質(zhì)（二）納濾膜在飲用水凈化中的應(yīng)用飲用水的污染問(wèn)題愈來(lái)愈受到人們

14、的關(guān)注，歐、美、口等發(fā)達(dá)國(guó)家都冇改善 水質(zhì)的計(jì)劃，如日木的mac-21和新mac-21計(jì)劃，將膜技術(shù)作為水凈化的最有 效的手段。歐、美等國(guó)也支持了許多膜法（納濾）水凈化實(shí)驗(yàn)，效果明顯。地下 水或地表屮的污染物主要是分子質(zhì)量為幾百的殺蟲(chóng)劑、除草劑以及因消毒而造成 的過(guò)量有機(jī)鹵化物，這些物質(zhì)都是有毒甚至致癌的。納濾膜分離法可以去除消毒 過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物、痕量除草劑、殺蟲(chóng)劑、重金屬、天然冇機(jī)物、硫酸鹽及硝 酸鹽等.同時(shí)能保留大多數(shù)人體必須的無(wú)機(jī)離子，出水水效率高，符合飲用水的 要求。因而是一個(gè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性炭吸附分離法的有效方法。 由于山東沿海某地淡水資源匱乏井水含鹽量高，199

15、年在該地區(qū)建成了地下苦 咸水納濾法淡化站，日產(chǎn)水量144 t?？诒静捎眉{濾系統(tǒng)并加以預(yù)處理，經(jīng)過(guò) 長(zhǎng)期中試結(jié)果表明：納濾工藝能冇效去除水中色度、t0c和致癌物前體thms9o 李盛凱等人對(duì)不同地下水水質(zhì)，分別以活性炭、石英砂、鎰砂進(jìn)行預(yù)處理，采用 納濾膜工藝制取優(yōu)質(zhì)飲用水。研究表明問(wèn)，活性炭更適合用作有機(jī)污染物含量較 高的淺層地下水的預(yù)處三、總結(jié)：納濾膜是一特殊而又很有前途的分離膜品種但納濾膜的傳質(zhì)機(jī)理還需進(jìn)一 步改進(jìn)和完善，其分離精度也有待于提高。在開(kāi)發(fā)新的膜材料的同時(shí)，應(yīng)注重集 成工藝的開(kāi)發(fā)和過(guò)程的優(yōu)化。納濾膜分離技術(shù)作為一種新型膜分離技術(shù)和分離乎段，在新型的膜分離過(guò)程 中具冇很高的潛在應(yīng)

16、用價(jià)值，如含催化劑的溶劑中催化劑回收的應(yīng)用、對(duì)糖脫色 樹(shù)脂再牛液進(jìn)行再處理以及過(guò)程屮水的回用、廢液屮冋收酸堿、從含重金屬離子 的鹽水中冋收溟、電廠冷卻水的處理、納濾膜膜生物反應(yīng)器、有機(jī)化工廢液處理 等。納濾膜作為膜科學(xué)屮的一種新型分離膜，問(wèn)世10多年來(lái)以其顯著的分離特 性在諸多領(lǐng)域得以越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而且也越來(lái)越受人們的關(guān)注和重視而許 多新的低分子質(zhì)量屮性及電解質(zhì)溶質(zhì)分離體系的出現(xiàn)，如水資源的凈化、生化工 程，卜游產(chǎn)品的分離精制等。對(duì)納濾膜及其分離過(guò)程而言也是一個(gè)契機(jī)。我們認(rèn) 為納濾膜分離技術(shù)存在著眾多的優(yōu)越性，是一個(gè)新興的值得矚目的領(lǐng)域，必將會(huì) 有廣闊的發(fā)展前景?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 吳舜澤，等

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