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纳滤膜是20世纪80年代初继典型的反渗透复合膜之后研制开发的一种新型分离膜,其孔径范围介于反渗透膜和超滤膜之间,约1nm 左右,故称为纳滤膜。它具有两个显著特征:一是截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间,约为200~1000;二是纳滤膜表面分离层由聚电解质所构成。纳滤膜对一价离子的截留率低,如对于NaCl截留率一般低于90%,而对二价或高价离子,特别是阴离子具有大于98%的截留率。
与反渗透技术相比,纳滤膜的一个优点是能截留透过超滤膜的小分子量的有机物,又能透析反渗透膜所截留的部分无机盐也就是能使 浓缩与脱盐同步进行。此外,纳滤膜分离过程具有操作压力低,出水效率高,浓缩水排放较少等优点。从膜的结构上来看,纳滤膜大多数是复合型膜,即膜的表层分离层和它的支撑层化学组成不同。与超滤及反渗透等膜分离过程一样,纳滤膜也是以压力差为推动力的膜分离过程,是一个不可逆过程。
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纳滤膜的分离机制
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高分子纳滤膜内部的传质过程很复杂,受到溶质、溶剂、膜材料的溶解性、溶质的尺寸、形状、溶质和溶剂的极性,溶剂、膜材料的表面张力、溶剂的粘度等多方面的因素的影响。
目前,根据模型建立的基本原理,耐溶剂纳滤膜的传质分析中经常应用的模型主要可以归纳为不可逆热力学模型如Kedem-Katchalsky和Spiegler-Kedem等、孔流模型、溶解-扩散模型以及不完全溶解扩散模型等。
其中,不可逆热力学模型把膜当做一黑匣子,膜两侧存在或施加的势能差是溶质和溶剂组分通过膜的驱动力。用此方法对分离效果进行分析时不需提供膜结构的信息就可以清楚地显示和描述推动力与通量之间的耦合关系。孔流模型是基于筛分机制的运输模型,膜的通量、溶质的截留率与溶剂的粘度及溶质的尺寸相关,多适用于多孔的耐溶剂纳滤膜。而溶解-扩散模型主要适用于致密型纳滤膜,建立模型时认为物质的传输首先是在物料端发生吸附,然后在分离层进行扩散,最后通过脱附进入渗出液。因此膜材料、溶剂的溶解性、相互作用、溶剂的粘度、溶质的性质等影响膜的分离性能。在模型中往往引入相关参数以与实际相符合。
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纳滤膜的应用
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纳滤膜技术可实现有机溶剂体系中的溶剂交换与回用,以及相对分子质量为 50~2000 的溶质分离,在食品、医药、石油、精细化工等行业中有广阔的应用前景,如:大豆油中溶剂的回用 ,润滑油、酮苯脱蜡溶剂的回用,汽油煤油的分离,医药中活性成分的分离,染料中有机溶剂的分离回用,催化剂的分离回用等。
然而需要注意的是,纳滤膜在非水水介质中应用时同样存在水中应用的膜污染,即由于无机物的沉积、膜的表面荷电性、粗糙度、微生物的粘附等生成的膜垢,降低膜性能。众所周知,为提高纳滤膜在水溶液中的抗污染性,常常使用改性的方法如涂覆表面活性剂、聚电解质,本体添加亲水性的高分子或无机粒子,表面接枝低表面能分子等以减小膜污染。当然,最近有研究者通过构建超疏水的自洁净表面来达到减小膜污染的目的。这些研究思路都可以为今后制备抗污染、耐溶剂纳滤膜所借鉴,最终提高耐溶剂纳滤膜的应用性能。
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