允许有机分子或某些低分子量溶质或低价离子透过的一种功能性的半透膜称为纳滤膜。纳滤膜是一种特殊而又很有前途的分离膜品种,它因能截留物质的大小约为1nm而得名。纳滤的操作介于超滤和反渗透之间,通常纳滤分离需要的跨膜压差一般为0. 5-2. 0MPa,比用反渗透分离达到同样的渗透通量所需施加的压差低0.5~ 3.0Mpa。
纳滤具有分离特性及低操作压力的特点,与其他几种膜分离过程相比有三方面优势:纳滤膜对离子的截留具有选择性,因而采用纳滤膜分离技术可代替传统工程中的脱盐、浓缩等多个步骤,故比较经济;操作压力低,降低了对系统动力的要求,从而降低了整套设备的投资费用;与反渗透相比,纳滤通量大,降低了成本。
(1)纳滤膜的分类纳滤膜按其材质可分为有机高分子膜、无机膜和有机无机膜。
①有机高分子膜有机高分子材料是工业化纳滤膜的主要材质,如醋酸纤维素(CA).磺化聚飒(SPS)、磺化聚醚矾(SPES)、聚酞胺(PA)、聚乙烯醇(PVA)等。其中CA. SPES等可以采用传统的相转化法制备纳滤膜。
②无机膜无机纳滤膜通常是不对称结构,由三种不同孔径的孔洞层组成,大孔的支撑体可以保证无机纳滤膜的机械强度,中空的中间层可以降低支撑体的表面粗糙程度,有利于微孔层的沉积;而微孔层(孔径<<2nm)决定着无机纳滤膜的渗透选择性。广泛应用的陶瓷膜材料有A1203.Zr02. C. Hf02. SiC和玻璃等,所采用的载体主要是氧化铝多孔陶瓷。
③有机无机膜有机材料具有柔韧性良好、透气性高、密度低的优点,但是它的耐溶性、耐腐蚀性、耐温性都较差;而单纯无机膜虽然强度高、耐腐蚀、耐溶剂、耐高温,但比较脆,不易加工。有机无机膜是在有机网络中引入无机材料而形成的一种新型膜。
(2)纳滤膜的传质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,溶解一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,用反渗透的溶解一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)纳滤技术研究现状及存在问题纳滤介于反渗透和超滤之间,是近十年发展较快的一项膜技术,其推动力仍是水压。纳滤膜的开发始于20世纪70年代,最初开发的目的是用膜法代替常规的石灰法和离子交换法的软化过程,所以纳滤膜早期也被称为软化膜。目前国际上的纳滤膜多半是聚酞胺复合膜,其切割分子量在百量级,对氯化钠的脱除率约80%左右,而对硫酸镁的脱盐率高达98%。最大的优点是操作压力仅为0. 5MPa,在水的软化、低分子有机物的分级、除盐等方面优点独特,应用广泛。值得注意的是,纳滤在饮用水的深度处理方面,引起了各国工程技术人员的极大兴趣,他们试图采用纳滤膜技术除去饮用水中对人体危害极大的微量低分子有机物和部分无机盐。
纳滤具有分离特性及低操作压力的特点,与其他几种膜分离过程相比有三方面优势:纳滤膜对离子的截留具有选择性,因而采用纳滤膜分离技术可代替传统工程中的脱盐、浓缩等多个步骤,故比较经济;操作压力低,降低了对系统动力的要求,从而降低了整套设备的投资费用;与反渗透相比,纳滤通量大,降低了成本。
(1)纳滤膜的分类纳滤膜按其材质可分为有机高分子膜、无机膜和有机无机膜。
①有机高分子膜有机高分子材料是工业化纳滤膜的主要材质,如醋酸纤维素(CA).磺化聚飒(SPS)、磺化聚醚矾(SPES)、聚酞胺(PA)、聚乙烯醇(PVA)等。其中CA. SPES等可以采用传统的相转化法制备纳滤膜。
②无机膜无机纳滤膜通常是不对称结构,由三种不同孔径的孔洞层组成,大孔的支撑体可以保证无机纳滤膜的机械强度,中空的中间层可以降低支撑体的表面粗糙程度,有利于微孔层的沉积;而微孔层(孔径<<2nm)决定着无机纳滤膜的渗透选择性。广泛应用的陶瓷膜材料有A1203.Zr02. C. Hf02. SiC和玻璃等,所采用的载体主要是氧化铝多孔陶瓷。
③有机无机膜有机材料具有柔韧性良好、透气性高、密度低的优点,但是它的耐溶性、耐腐蚀性、耐温性都较差;而单纯无机膜虽然强度高、耐腐蚀、耐溶剂、耐高温,但比较脆,不易加工。有机无机膜是在有机网络中引入无机材料而形成的一种新型膜。
(2)纳滤膜的传质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,溶解一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,用反渗透的溶解一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)纳滤技术研究现状及存在问题纳滤介于反渗透和超滤之间,是近十年发展较快的一项膜技术,其推动力仍是水压。纳滤膜的开发始于20世纪70年代,最初开发的目的是用膜法代替常规的石灰法和离子交换法的软化过程,所以纳滤膜早期也被称为软化膜。目前国际上的纳滤膜多半是聚酞胺复合膜,其切割分子量在百量级,对氯化钠的脱除率约80%左右,而对硫酸镁的脱盐率高达98%。最大的优点是操作压力仅为0. 5MPa,在水的软化、低分子有机物的分级、除盐等方面优点独特,应用广泛。值得注意的是,纳滤在饮用水的深度处理方面,引起了各国工程技术人员的极大兴趣,他们试图采用纳滤膜技术除去饮用水中对人体危害极大的微量低分子有机物和部分无机盐。