纳滤过程的污染问题及纳滤膜性能的影响因素VIP专享VIP免费

文章编号:1007-8924(2003)01-0043-07纳滤过程的污染问题及纳滤膜性能的影响因素朱安娜祝万鹏张玉春(清华大学环境科学与工程系,北京100084)摘要:介绍了纳滤膜的定义及分类,并对纳滤过程中污染现象的影响因素,如温度、浓差极化、料液浓度、pH值、流速和流型等作了详细的综述,指出了4种主要的减轻污染的方法.这4种方法分别是膜清洗、改变物料的性质、改变操作方式及膜面改性.同时对纳滤膜渗透及截留性能的影响因素,如操作压力、操作时间、料液流速等进行了较详细的阐述.关键词:纳滤;膜;操作性能;污染中图分类号:TQ028文献标识码:A纳滤(NF)是一种相对较新的压力驱动膜分离过程,它通过膜的渗透作用,借助外界能量或化学位差的推动,对两组分或多组分混合气体或液体进行分离、分级、提纯和富集.20世纪70年代,以色列脱盐工程局创造出一个新词———杂化过滤(hybridfil2tration)来描述介于反渗透(RO)和超滤(UF)之间的过程:在此过程中,氯化钠的截留率为50%～70%,而有机物的截留率为90%左右[1].这就是纳滤的最初定义.纳滤的分离特性介于反渗透(RO)与超滤(UF)之间,能截留UF过程中可透过的物质,而让RO能截留的盐分通过[1～3].如RO能同时截留糖和盐类,UF则能让两种溶质自由通过,NF过程中可以截留糖和某些多价盐(MgSO4),却能让大部分单价盐通过(如NaCl).纳滤膜是20世纪80年代初期继典型的反渗透膜之后开发出来的,20世纪90年代初,NF膜也曾被称为疏松RO(looseRO)膜、低压RO膜(low-pressureRO)和超渗透膜(ultra-os2mosismembrane)[2].国外对纳滤膜的研究和应用较早,技术也较成熟,纳滤膜在脱盐、浓缩、给水排水的处理等方面得到了广泛的应用.国内对纳滤膜的机理和应用研究起步于20世纪90年代.纳滤膜可截留的相对分子质量(MWCO)为100～2000[2～4]的物质.大多数NF膜是聚合物的多层薄膜复合体,且常为不对称结构,含有一个较厚的支撑层(100～300μm),以提供孔状支撑,支撑层上有一层薄的表皮层(0105～013μm).这层薄表皮层主要起分离作用,也是水流通过的主要阻力层.该表皮层为活性膜层,通常含有荷负电的化学基团[2].从纳滤膜表皮层的组成可分为以下几类[5]:芳香聚酰胺类复合纳滤膜、聚哌嗪酰胺复合纳滤膜、磺化聚(醚)砜复合纳滤膜、混合型复合纳滤膜.纳滤膜在制造过程中常常让其带上电荷,因此根据纳滤膜的荷电情况,又可将其分成3类:荷负电膜、荷正电膜、双极膜.荷正电膜应用较少,因为它们很容易被水中的荷负电胶体粒子吸附.荷负电膜可选择性地分离多价离子,因此当溶液中含有Ca2+、Mg2+离子时可用这种膜分离.如果为了同时选择性分离多价阴离子和阳离子,则有必要使用双极膜.纳滤膜的表层孔径处于纳米级范围,且在渗透过程中截留率大于90%的最小分子约为1nm,因此称为纳滤膜[2].1纳滤膜的分离机理尽管纳滤膜的应用越来越广泛,其迁移机理还没能确切地弄清楚,而对于截留提出的模型仍不精确[2].就目前已提出的纳滤膜机理来看,大部分学者认为,纳滤膜的分离作用主要是粒径排斥和静电收稿日期:2001-11-23;修改稿收到日期:2002-02-28基金项目:国家教委博士点基金(2000000317)作者简介:朱安娜(1975～),女,湖南郴州市人,博士研究生,研究方向为废水治理工程,电话:010262784527转820.第23卷第1期膜科学与技术Vo1.23No.12003年2月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYFeb.2003排斥[2].溶质的分离除了因为膜孔和溶质大小不同外,还因为膜和溶质的电荷极化.对于非荷电分子,筛滤或粒径排斥是分离的主要原因,如糖类一般有90%～98%的截留率;对于离子,筛滤和静电排斥均是分离的原因.在所有的应用中,膜面和孔电荷性在水和溶质分子穿过膜的过程中起了相当重要的作用.而且,胶体和荷电大分子与膜的相互作用以及由此而引起的膜污染也依赖于表面和孔电荷性.在目前的研究中,针对纳滤膜提出的理论模型主要有:溶解—扩散模型[13]、静电和位阻(ES)模型[4]、位阻孔模型[6]等.与超滤、反渗透过程相似,纳滤过程可由包含推动力与阻力因素的经验公式表达:JW=(Δp-δ1ΔΠ1+δ2ΔΠ2)μp·Rt(1)Rt=Rm+(Rai+Rao)+Rp+Rg+Rc(2)式(1)和式(2)表明,纳滤过程中阻力的形成除了膜自身的因素外,还受到料液性质的影响.料液组成不同,所形成的膜吸附、孔堵塞、凝胶层和粘结...