纳米膜过滤技术样本.doc

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课题名称: 纳米膜过滤技术
课题内容:
1.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.纳滤能够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
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但由化学势梯度控制, 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, 使得一种物质经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, 不同的离子经过膜的比例也不相同。

纳滤过程之因此具有离子选择性, 是由于在膜上或者膜中有负的带电基团, 它们经过静电互相作用, 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:
ηj=μj*z j*f*φ
式中
ηj——电化学势;
μj——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;
φ——相的内电位, 而且具有电压的量纲。
式中的电化学势不同于熟知的化学势, 是由于附加zj*f*φ项, 该项包括了电场对渗透离子的影响。利用此式, 能够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
①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;
②操作压力低, 因为无机盐能经过纳米滤膜而透析, 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
3.1性质
a.大多数的纳米滤膜是由多层聚合物薄膜组成。活性层一般荷负电化学基团。一般认为纳米滤膜是多孔性的, 其平均孔径为2nm, 一般相对分子质量截留范围为200～ 1000, 当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.改进以疏水性胶体、 油脂、 蛋白质和其它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。
A
B
SelRO
纳滤膜的剖面示意图
A
卷式膜;
B
管式膜
A
B

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, 但要求经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, 而且不易堵塞, 方便清洗。

4.纳滤的应用

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:
ü 先萃取, 再用NF膜浓缩——溶剂可循环利用, 成本降低80％;
ü 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能够制成高级冰激淋。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, 能够除这些物质。
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进, 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, 不但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能够看到)

3.造纸废水处理
造纸废水是当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
5.1纳滤膜的污染
膜的可靠性是当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, 可是能够经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
膜污染一般是指溶液中的溶质、 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, 可是能够经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, 当前控制纳滤过程污染的方法大致可分为以下四种:
( 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, 常见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进膜面流动方式, 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, 特别是对于低分子量有机物的分离有着独到之处。 纳滤分离过程无任何化学反应, 无需加热, 无相转变, 不破坏生物活性, 绝大部分药物的分子量都在这个范围内, 且纳滤技术节能、 环境友好, 因而越来越多地被用到制药工业的各种分离、 精制和浓缩过程中。将纳滤技术推向市场, 可形成一个新的水处理技术分支。纳滤技术在全国数量巨大的低压锅炉水质软化、 油水深度分离、 中低分子量物质的纯化、 浓缩及废水处理、 环境保护等领域有极好的推广应用前景。