課題名稱(chēng) 課題名稱(chēng) 納米膜過(guò)濾技術(shù) 課題內(nèi)容 課題內(nèi)容 1 概述概述 1 1 定義 納米過(guò)濾 簡(jiǎn)稱(chēng)納濾 是介于反滲透與超濾之間的一種以壓力 為驅(qū)動(dòng)力的新型膜分離過(guò)程 納濾膜的孔徑范圍在幾個(gè)納米左 右 能截留有機(jī)小分子而使大部分無(wú)機(jī)鹽透過(guò) 操作壓力低 在食品工業(yè) 生物化工及水處理等許多方面有很好的應(yīng)用前景 1 2 納濾與超濾及反滲透的關(guān)系 a 納米過(guò)濾膜的截?cái)嘞鄬?duì)分子質(zhì)量小于 1000 大于 100 填補(bǔ) 了超濾與反滲透之間的空白 比反滲透大 比超濾小 b 納濾可以截留能透過(guò)超濾膜的溶質(zhì) 而不能截留能透過(guò)反滲 透膜的溶質(zhì) 水 2 納米過(guò)濾機(jī)理納米過(guò)濾機(jī)理 NF 膜與 UF 膜一樣為多孔膜 其分離過(guò)程也是利用膜的篩分作 用 但 NF 膜大多為荷電膜 其對(duì)無(wú)機(jī)鹽的分離行為不僅由化 學(xué)勢(shì)梯度控制 同時(shí)也受電勢(shì)梯度的影響 即 NF 膜的行為與 其荷電性能 以及溶質(zhì)荷電狀態(tài)和相互作用都有關(guān)系 2 1 納濾技術(shù)原理 a 溶解 擴(kuò)散原理 滲透物溶解在膜中 并沿著它的推動(dòng)力梯度 擴(kuò)散傳遞 在膜的表面形成物相之間的化學(xué)平衡 傳遞的形式 是 能量 濃度 淌度 推動(dòng)力 使得一種物質(zhì)通過(guò)膜的時(shí)候必須 克服滲透壓力 b 電效應(yīng) 納濾膜與電解質(zhì)離子間形成靜電作用 電解質(zhì)鹽離 子的電荷強(qiáng)度不同 造成膜對(duì)離子的截留率有差異 在含有不 同價(jià)態(tài)離子的多元體系中 由于道南 DONNAN 效應(yīng) 使得膜 對(duì)不同離子的選擇性不一樣 不同的離子通過(guò)膜的比例也不相 同 納濾過(guò)程之所以具有離子選擇性 是由于在膜上或者膜中有負(fù) 的帶電基團(tuán) 它們通過(guò)靜電互相作用 阻礙多價(jià)離子的滲透 根據(jù)文獻(xiàn)說(shuō)明 可能的荷電密度為 0 5 2meq g 為此 我們可用道南效應(yīng)加以解釋 j j z j f 式中 j 電化學(xué)勢(shì) j 化學(xué)查組分的電荷數(shù) f 每摩勢(shì) z j 被考爾簡(jiǎn)單荷電組分的電荷量 相的內(nèi)電位 并且具有電壓的量綱 式中的電化學(xué)勢(shì)不同于熟知的化學(xué)勢(shì) 是由于附加 zj f 項(xiàng) 該項(xiàng)包括了電場(chǎng)對(duì)滲透離子的影響 利用此式 可以推導(dǎo)出體 系中的離子分布 以計(jì)算出納濾膜的分離性能 2 2 納濾膜的離子選擇性 a 對(duì)于陰離子 截留率按以下順序遞增 b 陽(yáng)離子的截留率遞增順序?yàn)?c 一價(jià)離子易透過(guò) 高價(jià)離子的截留率高 Eg Na2SO4 和 NaCl 混合溶液 d 分子量在 200 1000 之間 分子大小在 1nm 以上的分子被截 留 2 3 納米過(guò)濾的特點(diǎn) 在過(guò)濾分離過(guò)程中 它能截留小分子的有機(jī)物并可同時(shí)透析 出鹽 即集濃縮與透析為一體 操作壓力低 因?yàn)闊o(wú)機(jī)鹽能通過(guò)納米濾膜而透析 使得納米 過(guò)濾的滲透壓遠(yuǎn)比反滲透為低 這樣 在保證一定的膜通量的 前提下 納米過(guò)濾過(guò)程所需的外加壓力就比反滲透低得多 具 有節(jié)約動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn) 3 納米濾膜納米濾膜 3 1 性質(zhì) a 大多數(shù)的納米濾膜是由多層聚合物薄膜組成 活性層通常荷 2 3 2 4 3 CO SO OH Cl NO 222 Cu Mg Ca K Na H 負(fù)電化學(xué)基團(tuán) 一般認(rèn)為納米濾膜是多孔性的 其平均孔徑為 2nm 通常相對(duì)分子質(zhì)量截留范圍為 200 1000 目前截留相 對(duì)分子量在 100 200 的納濾膜已成為研究熱點(diǎn) b 納米濾膜同樣要求具有良好的熱穩(wěn)定性 pH 值穩(wěn)定性和對(duì) 有機(jī)溶劑的穩(wěn)定性 T 80 pH 1 14 3 2 特點(diǎn) a 納濾膜比反滲透膜有更高的水通量 因?yàn)?NF 膜上含有負(fù)電 荷親水性基團(tuán) b 改善以疏水性膠體 油脂 蛋白質(zhì)和其他有機(jī)物為背景的抗 污染能力強(qiáng) 表面活性基團(tuán) c 如果溶質(zhì)所帶電荷相反 它與膜相互配合會(huì)導(dǎo)致污染 因此 納濾膜最好應(yīng)用于不帶電荷分子的截留 可完全看做為篩分 或組分的電荷采用靜電相互作用消除 3 3 納濾膜組件 SelRO 系列納濾膜包括卷式與管式兩種構(gòu)型的組件 AB SelROSelRO 納濾膜的剖面示意圖納濾膜的剖面示意圖 A A 卷式膜 卷式膜 B B 管式膜管式膜 AB a 卷式膜 由于單位體積中擁有較大的膜面積 因而造價(jià)較低 但要求通過(guò)膜的料液必須經(jīng)預(yù)處理步驟 以避免分離過(guò)程中膜 間隙內(nèi)堵塞 b 管式膜 單位體積中膜面積小 造價(jià)高 但料液可不經(jīng)預(yù)處 理 直接濃縮 并且不易堵塞 方便清洗 4 納濾的應(yīng)用納濾的應(yīng)用 行行 業(yè)業(yè)處處理理對(duì)對(duì)象象行行 業(yè)業(yè)處處理理對(duì)對(duì)象象 制藥工業(yè)母液中有效成分的回收 抗菌素的分離純化 維生素的分離純化 氨基酸的脫鹽與純化 化工行業(yè)酸堿純化 回收 電鍍液中銅的回收 食品工業(yè)乳清脫鹽與濃縮 苛性堿回收純水制備 超高純水 水的脫鹽 地下水的凈化 染料工業(yè)活性染料的脫鹽與回收廢水處理印染廠(chǎng)廢水脫色 造紙廠(chǎng)廢水凈化 行行 業(yè)業(yè)處處理理對(duì)對(duì)象象行行 業(yè)業(yè)處處理理對(duì)對(duì)象象 制藥工業(yè)母液中有效成分的回收 抗菌素的分離純化 維生素的分離純化 氨基酸的脫鹽與純化 化工行業(yè)酸堿純化 回收 電鍍液中銅的回收 食品工業(yè)乳清脫鹽與濃縮 苛性堿回收純水制備 超高純水 水的脫鹽 地下水的凈化 染料工業(yè)活性染料的脫鹽與回收廢水處理印染廠(chǎng)廢水脫色 造紙廠(chǎng)廢水凈化 1 納米過(guò)濾在抗生素的回收與精制上的應(yīng)用 抗生素原液含 4 生物殘?jiān)?不定的鹽分 抗生素含量約 0 1 0 2 兩種途徑 先萃取 再用 NF 膜濃縮 溶劑可循環(huán)利用 成本降低 80 先用 NF 膜濃縮 再萃取 節(jié)省萃取劑 提高回收率 凱能公司生產(chǎn)的 NF 1014S 卷式膜 截留分子量 Mw 250 濃縮抗生素 6 APA Mw 216 可將含 0 37 的 6 APA 的發(fā)酵 液濃縮到 5 該膜對(duì) 6 APA 的截留率達(dá) 95 對(duì) 6 APA 的回 收率約 90 同時(shí)將鹽分等雜質(zhì)除去 2 牛奶及乳清蛋白的濃縮 利用納濾膜濃縮的牛乳可以制成高級(jí)冰激淋 因在一般 的濃縮乳中 由于存于其中的鹽類(lèi)也被濃縮 所制成的冰激 淋口感不佳 面暖和納舉世矚目膜濃縮的牛乳 鹽類(lèi)減少 使制成的冰激淋口感嫩滑 同時(shí)因?yàn)闆](méi)有被加熱 制品的奶 味格外濃郁 乳粉的貯藏過(guò)程中 最易發(fā)生的是風(fēng)味變壞 我們把產(chǎn) 生各種不良?xì)馕兜奈镔|(zhì)稱(chēng)為雜味物質(zhì) 利用納濾分離 可以 除這些物質(zhì) 未經(jīng)處理的復(fù)原脫脂乳中雜味很強(qiáng) 評(píng)價(jià)較差 使用反 滲透濃縮處理的乳 其風(fēng)味在某種程度上得到改善 但由于 鹽類(lèi)和乳糖都被濃縮 咸味與甜味都被增強(qiáng) 使總體評(píng)價(jià)降 低 而使用納濾膜 選擇適當(dāng)?shù)臐饪s比進(jìn)行處理 不僅除去 了乳中的雜味成分 還使脫脂乳具有鹽類(lèi)平衡的良好風(fēng)味 由表 2 可以看到 3 造紙廢水處理 造紙廢水是目前處理難度較大的廢水之一 M M ntt ri 等在實(shí)驗(yàn)室 用平板納濾膜 NF45 處理浮選和 過(guò)濾預(yù)處理后的造紙廢水 膜通量為 90 L m2 h J Nuortila Jokinen 等也進(jìn)行了納濾膜處理造紙廢水的研究 研究表明 膜 的震動(dòng)頻率 錯(cuò)流流速 操作壓力 pH 化學(xué)預(yù)處理等對(duì)納濾 膜的膜通量有很大影響 5 納濾膜的污染與防止納濾膜的污染與防止 5 1 納濾膜的污染 膜的可靠性是目前阻礙膜技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵之一 而 膜污染又是影響其可靠性的決定因素 盡管在膜的應(yīng)用過(guò) 程中產(chǎn)生膜污染是在所難免的 但是可以通過(guò)對(duì)不同的膜污 染采取相應(yīng)的措施來(lái)減少膜污染程度 納濾膜污染的特性與水中污染物的物理 化學(xué) 微生 物性質(zhì)密切相關(guān) 可分為無(wú)機(jī)污染 有機(jī)污染和微生物污 染 用納濾膜法處理水的過(guò)程中 造成膜污染的物質(zhì)主要 是地表水和地下水存在的水合狀態(tài)的金屬氧化物 含鈣化 合物 膠體物質(zhì) 有機(jī)物以及微生物等 這些物質(zhì)在膜表 面上形成了濾餅 凝膠及結(jié)垢等附著層或堵塞膜孔 因此 導(dǎo)致膜分離性能發(fā)生變化 具體表現(xiàn)為膜的透過(guò)通量減少 膜的荷電性質(zhì)和膜孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 膜的使用壽命降低 5 2 納濾膜污染的控制與防止 膜污染通常是指溶液中的溶質(zhì) 膜以及溶劑相互作用 而產(chǎn)生的一些復(fù)雜現(xiàn)象 主要包括膜面污堵 化學(xué)破壞以 及細(xì)菌生長(zhǎng)幾種情況 其一般性機(jī)理是 當(dāng)截留的污染物質(zhì) 沒(méi)有從膜表面?zhèn)髻|(zhì)回主體液流中 膜面上污染物質(zhì)的沉淀與 積累 使水透過(guò)膜的阻力增加 妨礙了膜面上的溶解擴(kuò)散 從而導(dǎo)致膜產(chǎn)水量和水質(zhì)的下降 同時(shí)由于沉積物占據(jù)了鹽 水通道空間 限制了組件中的水流流動(dòng) 增加了水頭損失 在膜的應(yīng)用過(guò)程中很難完全避免產(chǎn)生膜的污染 但是可以通 過(guò)對(duì)不同的膜污染情況來(lái)采取相應(yīng)的措施來(lái)減小膜的污染程 度 目前控制納濾過(guò)程污染的方法大體可分為以下四種 1 清洗 清洗方法的選擇主要取決于納濾膜的構(gòu)型 膜 種類(lèi)和耐化學(xué)試劑能力以及污染物的種類(lèi) 常用的方法有物 理方法和化學(xué)方法兩類(lèi) 2 改變物料的性質(zhì) 在膜過(guò)濾之前 對(duì)料液進(jìn)行預(yù)處理 如熱處理 加配合劑 EDTA 等 活性炭吸附 預(yù)微 濾和預(yù)超濾等 以去除一些較大的粒子 也可調(diào)節(jié) pH 遠(yuǎn)離 蛋白質(zhì)等電點(diǎn)從而減輕吸附作用造成的膜污染 3 改變操作方式 改變操作方式實(shí)際上是改善膜面流動(dòng) 方式 其主要方法有 一是在膜過(guò)程中采取一定的操作策略 另外則是優(yōu)化和改進(jìn)膜組件及膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 用這兩種 方法可讓流體在膜組件中的流動(dòng)呈現(xiàn)出減輕膜污染和濃差極 化的理想狀態(tài) 4 納濾膜的改性 改變膜材料或膜的表面性質(zhì)把膜表面 改變成親水性的 為了強(qiáng)化膜的操作性能 減少膜污染 膜 表面的更新是一種方法 膜面與溶質(zhì)的物理化學(xué)相互作用可 由合適的表面活性劑來(lái)控制 6 納濾膜技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)納濾膜技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 納濾膜選擇性敏銳 同時(shí)兼?zhèn)涑瑸V和反滲透的分離性能 特別是對(duì)于低