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纳滤主讲人：张辉PPT制作者：刘晋高、吴桐搜集资料者：胡腾、杨光剑、周颖概述纳滤（Nanofihratiori)纳滤（NF）：是一种介于反渗透和超滤之间的新型膜分离技术，早期称为“低压反渗透”或“疏松反渗透”。纳滤膜的截留相对分子质量200~2000之间，膜孔径约为1nm，故称为“纳滤”。•纳滤膜分离在常温下进行，无相变，无化学反应，不破坏生物活性，能有效的截留二价及高价离子和相对分子质量高于200的有机小分子，而使大部分一价无机盐透过，可分离同类氨基酸和蛋白质，实现高分子量和低分子量有机物的分离，且成本比传统工艺低。特点：•筛分效应：分子量大于膜的截留分子量的物质，将被膜截留，反之则透过。•电荷效应（Donnan效应）：离子与膜所带电荷的静电相互作用。纳滤膜的孔径和膜存在的带电基团使其分离具有两个特性，即筛分效应和电荷效应。①对不同价态离子截留效果不同，对二价和高价离子的截留率明显高于单价离子。②对离子的截留受离子半径的影响。③截留相对分子质量在200~1000之间，适用于分子大小为1nm的溶解组分的分离。几种类别膜及透过特性：传质机理及模型传质机理：纳滤与超滤、反渗透均是以压力差为推动力的膜过程，但它们的传质机理有所不同。超滤膜主要为孔流形式（筛分效应）；反渗透为溶解~扩散过程（静电效应）；而纳滤介于它们两者之间，对无机盐的分离行为不仅受化学势控制，同时也受电势梯度的影响。纳滤对极性小分子有机物的选择性截留是基于溶质分子的尺寸和电荷。（1）根据离子所带电荷选择性吸附在膜的表面；（2）在扩散、对流、电泳移动性能的共同作用下传递通过膜。传质模型：1、非平衡热力学纳滤膜的分离过程也是以压力差为驱动力，产生溶质和溶剂的透过通量的，其通量可以由非平衡热力学模型建立的现象论方程式来表征。Jv=Lp(△σ△π)Js=-(P△x)+(1-σ)Jvcdcdxcpcmσ(1-F)1-Fσ1==R溶质透过通量：截留率：溶剂透过通量溶质透过通量膜的截留率2、电荷模型又可分为空间电荷模型和固定电荷模型•固定电荷模型假定膜是均质无孔的，在膜中的固定电荷分布是均匀的，它不考虑孔径等结构参数，认为离子浓度和电势在传质方向上具有一定的梯度。该模型首先用于离子交换膜，随后用来表征荷电型RO和NF膜的截留特性和膜电位。•空间电荷模型假设膜为有孔膜（毛细管通道），电荷分布在毛细管通道的表面，离子浓度和电势能除了在传质方向分布不均外，在孔的径向也存在电势能分布和离子浓度分布。该模型可表征电解质及其离子在荷电膜内的传递。3、细孔模型该模型考虑了溶质的空间位阻效应和溶质与孔壁之间的相互作用。可借助该模型来确定膜的结构参数，也可适用于NF膜的结构评价。4、静电位阻模型•该模型将细孔模型和固定电荷模型结合起来。它假设膜分离层由孔径均一、表面电荷分布均匀的微孔构成。它考虑了膜的结构参数对膜分离过程的影响，截留率由道南效应与筛分效应共同决定。由于道南效应的影响，物料的荷电性，离子价数，离子浓度，溶液pH值等对NF膜的分离效率有一定的影响。纳滤装置与反渗透、超滤装置一样，纳滤膜组件有4种形式：I.卷式（最常见，主要用于脱盐及超纯水的制备）II.中空纤维式（水的软化）III.板框式（处理粘度较大的料液）IV.管式（处理含悬浮物、高粘度的料液）管式NF膜系统螺旋卷式NF膜系统1.无机污染CaCO3垢是由化学沉降作用引起的。SiO2胶体颗粒主要是由胶体富集作用决定的。2.有机污染极性有机物在膜表面吸附是氢键作用、色散力吸附和憎水作用的结果。膜表面电荷、憎水性、粗糙度，对膜的有机吸附污染及阻塞有重大影响。纳滤膜的污染及清洗对于非极性的、憎水性的有机物会浓缩在膜表面上；其次，高分子有机物的浓差极化也有利于它们吸附在膜表面上；再次，水中钙离子等与有机物官能团相互作用，会改变这些有机物分子的憎水性和扩散性。3.微生物污染第一阶段，腐殖质、聚糖脂与其它微生物的代谢产物等大分子物质的吸附过程，导致在膜表面形成一层具备微生物生存条件的膜；第二阶段，进水的微生物体系中粘附速度快的细胞形成初期粘附过程；第三阶段，在粘附后期，后续大量不同菌种的粘附、胞外聚合物与生物膜的早期发展，形成了微生物的群集和生长；第四阶段，在膜表面形成了一层生物膜，造成膜的不可逆阻塞，使产水阻力增加。膜污染是一个复杂的过程，膜污染物的特性是与水中污染物的物理、化学、微生物三因素的相互作用密切相关的。当其中某一污染趋势形成后应及时解决，以避免产生连锁反应，造成更大污染。4.纳滤膜的清洗一般情况下，先用低pH值后用高pH值的洗液，这与膜上污染物的形成因素有关：系统运行过程中；胶体粒子和有机污染物最先在膜上沉积和吸附，形成膜表面的第一层垢；碳酸盐及金属氧化物垢是逐渐形成的，沉积于胶体垢之上，并缓慢渗入胶体中。因此，先用酸性溶液去除上部污垢，并可达到松动下层胶体的作用．然后再用碱性溶液清洗，可快速达到清洗效果。纳滤技术的应用Ⅰ、在水处理方面的应用膜法软化水是NF膜的最重要的工业应用之一。NF膜一般可用于去除Ca2+、Mg2+等硬度成分、三卤甲烷中间体（致癌物的一种前驱物）、异味、色度、农药、可溶性有机物及蒸发残留物质，并在低压下实现水的软化及脱盐。膜法软化水在美国已很普遍，佛罗里达州近10多年来新的软化水厂都采用膜法软化。2、小分子有机物的回收或除去小分子有机物的相对分子质量多在数百到1000之间，纳滤技术可以十分有效地把它们分离出来。3、工业废水处理NF膜以其特殊的分离性能，已成功地应用于制糖、造纸、电镀、机械加工等工业废水的处理上。如：造纸废水处理NF膜可以替代吸收和电化学方法除去纸浆厂冲洗水中的深色木质素和来自木浆漂白过程中产生的氯化木质素，因为污染物中的许多有色有机物都带电负性，它易被荷负电的NF所截留，且对膜不会产生污染。有人开发了水循环使用一步法NF过程，并同UF法进行比较，发现采用NF技术处理后得到的水不仅透明、无色、不含阴离子废物，而且将透过水的COD、总碳和无机物含量的去除由UF泊的50%~60%提高到80%以上。4、制药业中的应用纳滤技术目前在医药方面的应用主要集中在生化试剂生产上。生化试剂多具有热敏性，在加工过程中易受热而被破坏。采用NF技术对生化试剂进行提纯与浓缩，不仅可降低有机溶剂及水的消耗量，而且可将微量的有机污染物和低分子盐分除去，最终达到节能降耗，提高产品质量的效果。NF技术已成功地应用于红霉素、金霉素、万古霉素和青霉素等多种抗生素的浓缩和纯化过程中。例如6-APA（6-氨基青霉烷酸）相对分子质量为216，是重要的半合成抗生素原料，用于生产各种半合成青霉素药物，如氨苄西林、阿莫西林等。我们选用英国PCI公司的AFC-30型管式NF膜，该膜的截留相对分子质量约200，两根膜管并联操作，每根膜的面积为1.2m2。操作条件：温度6~12℃，进料压力为5MPa，流量为38L/min。中试结果表明，膜的平均截留率在99%，而透析损失率小于1%。5、石油开采与提炼中的应用石油提炼过程主要是通过精馏把原油分级成汽油、煤油、重油等。粗产品再经过裂解、催化以及加氢脱硫等进一步提炼。在提炼过程的蒸馏步骤中需要消耗巨大有能量。如果能够用膜分离过程替代蒸馏，这将节省大量的能耗费用。纳滤膜可应用在催化剂生产中有机溶剂和工业生产中催化剂的分离和回收、润滑油精炼过程、脱沥青原油中轻质油的提取、汽油添加剂MTBE和TAME的生产中，以及甲醇从反应液中分离循环、饱和烃和芳香烃的分离、支链和直链同分异构体的分离等方面。6、食品加工中的应用纳滤膜具有较高的抗污染能力，细菌也不容易在膜表面繁殖。纳滤膜在减少盐含量的同时，可以避免盐对蒸发器的腐蚀。因此可用于酵母与奶酪的加工过程。不仅能够解决废水的配方问题，也可提高经济效益。其他应用如：乳品加工、果汁浓缩、低聚糖的分离和精制环糊精的生产等方面。另外，纳滤膜还可以应用于纺织、皮革加工等领域废水的处理以及手性物质的分离。由于其独特的分离性能，纳滤将越来越广泛地应用于许多领域如提高饮用水质量、软化水、染料、色素、医药与生化产品的提纯与浓缩以及油水深度分离、染料、印刷、纺织、化学与医药废水的脱色等领域。耐溶剂、耐酸碱的纳滤膜应用前景更广泛。