纳米膜过滤技术

课题名称 课题名称 纳米膜过滤技术 课题内容 课题内容 1 概述概述 1 1 定义 纳米过滤 简称纳滤 是介于反渗透与超滤之间的一种以压力 为驱动力的新型膜分离过程 纳滤膜的孔径范围在几个纳米左 右 能截留有机小分子而使大部分无机盐透过 操作压力低 在食品工业 生物化工及水处理等许多方面有很好的应用前景 1 2 纳滤与超滤及反渗透的关系 a 纳米过滤膜的截断相对分子质量小于 1000 大于 100 填补 了超滤与反渗透之间的空白 比反渗透大 比超滤小 b 纳滤可以截留能透过超滤膜的溶质 而不能截留能透过反渗 透膜的溶质 水 2 纳米过滤机理纳米过滤机理 NF 膜与 UF 膜一样为多孔膜 其分离过程也是利用膜的筛分作 用 但 NF 膜大多为荷电膜 其对无机盐的分离行为不仅由化 学势梯度控制 同时也受电势梯度的影响 即 NF 膜的行为与 其荷电性能 以及溶质荷电状态和相互作用都有关系 2 1 纳滤技术原理 a 溶解 扩散原理 渗透物溶解在膜中 并沿着它的推动力梯度 扩散传递 在膜的表面形成物相之间的化学平衡 传递的形式 是 能量 浓度 淌度 推动力 使得一种物质通过膜的时候必须 克服渗透压力 b 电效应 纳滤膜与电解质离子间形成静电作用 电解质盐离 子的电荷强度不同 造成膜对离子的截留率有差异 在含有不 同价态离子的多元体系中 由于道南 DONNAN 效应 使得膜 对不同离子的选择性不一样 不同的离子通过膜的比例也不相 同 纳滤过程之所以具有离子选择性 是由于在膜上或者膜中有负 的带电基团 它们通过静电互相作用 阻碍多价离子的渗透 根据文献说明 可能的荷电密度为 0 5 2meq g 为此 我们可用道南效应加以解释 j j z j f 式中 j 电化学势 j 化学查组分的电荷数 f 每摩势 z j 被考尔简单荷电组分的电荷量 相的内电位 并且具有电压的量纲 式中的电化学势不同于熟知的化学势 是由于附加 zj f 项 该项包括了电场对渗透离子的影响 利用此式 可以推导出体 系中的离子分布 以计算出纳滤膜的分离性能 2 2 纳滤膜的离子选择性 a 对于阴离子 截留率按以下顺序递增 b 阳离子的截留率递增顺序为 c 一价离子易透过 高价离子的截留率高 Eg Na2SO4 和 NaCl 混合溶液 d 分子量在 200 1000 之间 分子大小在 1nm 以上的分子被截 留 2 3 纳米过滤的特点 在过滤分离过程中 它能截留小分子的有机物并可同时透析 出盐 即集浓缩与透析为一体 操作压力低 因为无机盐能通过纳米滤膜而透析 使得纳米 过滤的渗透压远比反渗透为低 这样 在保证一定的膜通量的 前提下 纳米过滤过程所需的外加压力就比反渗透低得多 具 有节约动力的优点 3 纳米滤膜纳米滤膜 3 1 性质 a 大多数的纳米滤膜是由多层聚合物薄膜组成 活性层通常荷 2 3 2 4 3 CO SO OH Cl NO 222 Cu Mg Ca K Na H 负电化学基团 一般认为纳米滤膜是多孔性的 其平均孔径为 2nm 通常相对分子质量截留范围为 200 1000 目前截留相 对分子量在 100 200 的纳滤膜已成为研究热点 b 纳米滤膜同样要求具有良好的热稳定性 pH 值稳定性和对 有机溶剂的稳定性 T 80 pH 1 14 3 2 特点 a 纳滤膜比反渗透膜有更高的水通量 因为 NF 膜上含有负电 荷亲水性基团 b 改善以疏水性胶体 油脂 蛋白质和其他有机物为背景的抗 污染能力强 表面活性基团 c 如果溶质所带电荷相反 它与膜相互配合会导致污染 因此 纳滤膜最好应用于不带电荷分子的截留 可完全看做为筛分 或组分的电荷采用静电相互作用消除 3 3 纳滤膜组件 SelRO 系列纳滤膜包括卷式与管式两种构型的组件 AB SelROSelRO 纳滤膜的剖面示意图纳滤膜的剖面示意图 A A 卷式膜 卷式膜 B B 管式膜管式膜 AB a 卷式膜 由于单位体积中拥有较大的膜面积 因而造价较低 但要求通过膜的料液必须经预处理步骤 以避免分离过程中膜 间隙内堵塞 b 管式膜 单位体积中膜面积小 造价高 但料液可不经预处 理 直接浓缩 并且不易堵塞 方便清洗 4 纳滤的应用纳滤的应用 行行 业业处处理理对对象象行行 业业处处理理对对象象 制药工业母液中有效成分的回收 抗菌素的分离纯化 维生素的分离纯化 氨基酸的脱盐与纯化 化工行业酸碱纯化 回收 电镀液中铜的回收 食品工业乳清脱盐与浓缩 苛性碱回收纯水制备 超高纯水 水的脱盐 地下水的净化 染料工业活性染料的脱盐与回收废水处理印染厂废水脱色 造纸厂废水净化 行行 业业处处理理对对象象行行 业业处处理理对对象象 制药工业母液中有效成分的回收 抗菌素的分离纯化 维生素的分离纯化 氨基酸的脱盐与纯化 化工行业酸碱纯化 回收 电镀液中铜的回收 食品工业乳清脱盐与浓缩 苛性碱回收纯水制备 超高纯水 水的脱盐 地下水的净化 染料工业活性染料的脱盐与回收废水处理印染厂废水脱色 造纸厂废水净化 1 纳米过滤在抗生素的回收与精制上的应用 抗生素原液含 4 生物残渣 不定的盐分 抗生素含量约 0 1 0 2 两种途径 先萃取 再用 NF 膜浓缩 溶剂可循环利用 成本降低 80 先用 NF 膜浓缩 再萃取 节省萃取剂 提高回收率 凯能公司生产的 NF 1014S 卷式膜 截留分子量 Mw 250 浓缩抗生素 6 APA Mw 216 可将含 0 37 的 6 APA 的发酵 液浓缩到 5 该膜对 6 APA 的截留率达 95 对 6 APA 的回 收率约 90 同时将盐分等杂质除去 2 牛奶及乳清蛋白的浓缩 利用纳滤膜浓缩的牛乳可以制成高级冰激淋 因在一般 的浓缩乳中 由于存于其中的盐类也被浓缩 所制成的冰激 淋口感不佳 面暖和纳举世瞩目膜浓缩的牛乳 盐类减少 使制成的冰激淋口感嫩滑 同时因为没有被加热 制品的奶 味格外浓郁 乳粉的贮藏过程中 最易发生的是风味变坏 我们把产 生各种不良气味的物质称为杂味物质 利用纳滤分离 可以 除这些物质 未经处理的复原脱脂乳中杂味很强 评价较差 使用反 渗透浓缩处理的乳 其风味在某种程度上得到改善 但由于 盐类和乳糖都被浓缩 咸味与甜味都被增强 使总体评价降 低 而使用纳滤膜 选择适当的浓缩比进行处理 不仅除去 了乳中的杂味成分 还使脱脂乳具有盐类平衡的良好风味 由表 2 可以看到 3 造纸废水处理 造纸废水是目前处理难度较大的废水之一 M M ntt ri 等在实验室 用平板纳滤膜 NF45 处理浮选和 过滤预处理后的造纸废水 膜通量为 90 L m2 h J Nuortila Jokinen 等也进行了纳滤膜处理造纸废水的研究 研究表明 膜 的震动频率 错流流速 操作压力 pH 化学预处理等对纳滤 膜的膜通量有很大影响 5 纳滤膜的污染与防止纳滤膜的污染与防止 5 1 纳滤膜的污染 膜的可靠性是目前阻碍膜技术推广应用的关键之一 而 膜污染又是影响其可靠性的决定因素 尽管在膜的应用过 程中产生膜污染是在所难免的 但是可以通过对不同的膜污 染采取相应的措施来减少膜污染程度 纳滤膜污染的特性与水中污染物的物理 化学 微生 物性质密切相关 可分为无机污染 有机污染和微生物污 染 用纳滤膜法处理水的过程中 造成膜污染的物质主要 是地表水和地下水存在的水合状态的金属氧化物 含钙化 合物 胶体物质 有机物以及微生物等 这些物质在膜表 面上形成了滤饼 凝胶及结垢等附着层或堵塞膜孔 因此 导致膜分离性能发生变化 具体表现为膜的透过通量减少 膜的荷电性质和膜孔结构发生变化 膜的使用寿命降低 5 2 纳滤膜污染的控制与防止 膜污染通常是指溶液中的溶质 膜以及溶剂相互作用 而产生的一些复杂现象 主要包括膜面污堵 化学破坏以 及细菌生长几种情况 其一般性机理是 当截留的污染物质 没有从膜表面传质回主体液流中 膜面上污染物质的沉淀与 积累 使水透过膜的阻力增加 妨碍了膜面上的溶解扩散 从而导致膜产水量和水质的下降 同时由于沉积物占据了盐 水通道空间 限制了组件中的水流流动 增加了水头损失 在膜的应用过程中很难完全避免产生膜的污染 但是可以通 过对不同的膜污染情况来采取相应的措施来减小膜的污染程 度 目前控制纳滤过程污染的方法大体可分为以下四种 1 清洗 清洗方法的选择主要取决于纳滤膜的构型 膜 种类和耐化学试剂能力以及污染物的种类 常用的方法有物 理方法和化学方法两类 2 改变物料的性质 在膜过滤之前 对料液进行预处理 如热处理 加配合剂 EDTA 等 活性炭吸附 预微 滤和预超滤等 以去除一些较大的粒子 也可调节 pH 远离 蛋白质等电点从而减轻吸附作用造成的膜污染 3 改变操作方式 改变操作方式实际上是改善膜面流动 方式 其主要方法有 一是在膜过程中采取一定的操作策略 另外则是优化和改进膜组件及膜系统结构设计 用这两种 方法可让流体在膜组件中的流动呈现出减轻膜污染和浓差极 化的理想状态 4 纳滤膜的改性 改变膜材料或膜的表面性质把膜表面 改变成亲水性的 为了强化膜的操作性能 减少膜污染 膜 表面的更新是一种方法 膜面与溶质的物理化学相互作用可 由合适的表面活性剂来控制 6 纳滤膜技术的发展趋势纳滤膜技术的发展趋势 纳滤膜选择性敏锐 同时兼备超滤和反渗透的分离性能 特别是对于低