纳滤技术水的渗透通量
A. 纳滤膜的水渗透系数和溶质渗透系数是多少
利用孔模型分析膜孔结构
本文基于孔模型，从膜对NaCl溶液的透过实验中，得到种膜的结构参数，实验结果表明，从溶质透过膜的参数与从溶剂透过膜的参数得到的膜结构参数并不一致。根据孔模型由溶质的Stokes半径γs得到的膜孔半径γp与根据透过溶剂而计算出的膜孔半径γω之间存在线性关系，对于CA膜，它们的关系式是：γω＝10.50(γp-1.739)，γp与γω之间的相关关系是0.9986，对于γp的标准偏差是0.14。
关键词：孔模型；膜结构参数；CA膜
ANALYSIS OF MEMBRANE STRUCTURE PARAMETERS BY PORE MODEL
LUO Ju-fen， MO Jian-xiong
(The Development Centr of Water Treatment Technology, SOA Hangzhou 310012)
Abstract:Based on the pore model, structural parameters of the eight kinds of membranes were determined with permeation experiments of aqueous solution of sodium chloride. The parameters determined from P differ from that obtained from Lp. There is a good linear correlation between rp which obtained from the solute radius rs and rω which obtained from the pure water flux. For cellulose acetate membranes, the relation of rp and rω can be written as rω ＝10.50(rp-1.739). The linear correlation coefficient between rp and rω is 0.9986 and for rp its standard deviation is 0.14.
Key words:pore model； structure parameters； CA membrane
测定膜结构参数对于预测溶质透过膜的传递性能是很重要的。为了能测定膜的结构参数，出现了摩擦模型，孔模型，改进的孔模型，SHP模型等。Nakao和Kimura等针对单组分水溶液，将这些模型应用到超滤膜分离体系和纳滤膜分离体系，以不同溶质的渗透实验计算了超滤膜和纳滤膜的γp和Ak/△x值〔1-3〕。
本文通过膜对NaCl水溶液的透过实验，在确定不可逆过程热力学迁移方程中的三个参数后，基于改进的孔模型〔6〕，得到8种分离膜的结构参数，并比较了从溶质和从溶剂透过性能所得到膜孔结构参数的区别。这些膜对NaCl的脱除率在15%～99%之间，其中有部分膜是超滤膜。
1 理 论
压力驱动过程中膜的迁移过程可以用不可逆过程热力学来描述。Kedem和Katchalsky〔4〕基于线性非平衡热力学唯象理论提出如下的传递方程：
Jv＝Lp(△P-σ△π) (1)
Js＝ω△π＋(1-σ)Jv. (2)
利用Van't Hoff等式△π＝RT△Cs，则式(2)可以写成
Js＝P△Cs＋(1-σ)Jv. (3)
为解决膜二边平均浓度的问题，Spiegler等〔5〕将等式(3)改写成另一种形式：
Js/△C＝P＋(1-σ)(JvCln/△C) (4)
等式(3)、(4)是作为反渗透膜(具有高溶质分离率)的传递方程提出的，Nakao在他的实验中〔2〕说明等式(3)、(4)也适用于作为超滤膜的传递方程。
在这些等式中，膜的表征以三个传递系数表示：纯水透过系数Lp，溶质渗透系数ω或P和反射系数σ。但上述唯象方程属于黑箱模型，不能得到有关膜内部透过机理的情况，因此，出现一些利用膜结构来说明σ和P的传递模型。
Pappenheimer等提出了传递“孔理论”来计算通过毛细管的迁移过程，在这个理论中，溶质通量包括过滤流和扩散流，这二种流动都受到进入膜孔时位阻障碍和孔内摩擦阻力的影响。Verniory等人〔6〕利用Haberman和Sayre的计算和摩擦模型改进了这种“孔理论”，根据这种改进的孔理论，膜结构可以用参数σ和P来预测。假设圆柱形膜孔的孔径与孔长分别为常数rp和△x，并且球状溶质半径为rs，则溶质通量可表示成
(5)
这里Ak是总的贯通孔面积与膜有效面积之比，SD和SF分别是扩散流和过滤流的位阻因数，并且是rs与rp比值q的函数，其中：
SD＝(1-q)2 (6)
SF＝(1-q)2(1＋2q-q2) (7)
f(q)和g(q)是圆形壁面效应的修正因数，由Haberman和Sayre计算如下：
f(q)＝(1-2.1q＋2.1q3-1.7q5＋0.73q6)/(1-0.76q5) (8)
g(q)＝〔1-(2/3)q2-0.2q5〕/(1-0.76q5) (9)
将式(5)与式(3)相比较，则膜的参数σ和P可用下式表示
σ＝1-g(q)SF (10)
P＝Df(q)SD(Ak/△X) (11)
在孔模型中，纯水通量用Hagen-Poiseuille式表示，因此，纯水透过速率Lp可以写成：
Lp＝(r2p/8μ).(AK/△X) (12)
2 实 验
2.1 实验装置
实验装置如图1所示。
图1 实验装置示意图
1.原液池，2.微滤器，3.恒流泵，4.测试池，
5.微型电导检测器，6.磁搅拌子，6.硅压力传感器
2.2 实验条件和过程
首先，将膜充分润湿后置于测试池，用纯水预压1h，预压压力为膜最高实验压力的1.2倍左右。然后原液换成0.01mol/L NaCl溶液，测定不同压力时透过液流速JV和浓度C3，利用式(4)，根据Js/△C和JVCln/△C的关系，采用最佳拟合，得到膜性能参数σ和P，将σ和P代入(10)和(11)式，就能根据溶质的Stokes半径rs而算出膜孔半径rp和膜的Ak/△X值。在25℃条件下，NaCl-H2O体系的Stokes半径rs＝1.616×10-10m。
利用式(1)计算膜的Lp值。
将Lp值和由式(11)得到的Ak/△X值代入Hegen-Poiseuille式(12)中，则可得到根据透过溶剂而计算出的膜孔孔径rω。
3 结果和讨论
在测试压力范围内，透过液流速与压力成直线关系，并且实验中透过液通量与纯水通量几乎一致，因此，实验渗透压可以忽略不计。并且这也表明，实验过程中没有出现污染或严重浓差极化现象。
3.1 压力的影响
压力对脱除率的影响是很大的，随压力增加，R值也增加，R值增加到某个数值后，变化趋缓。因此，对于表示膜的特征来说，R不是一个很合适的参数。
3.2 膜性能参数的确定
用以下方法确定膜的三个迁移参数Lp、σ和P。
纯水透过参数Lp利用实验的透过速率从式(1)可以得到，渗透压△π忽略不计，参数σ和P则利用对数平均浓度Cln从式(4)中可以确定。从实验数值看，Js/△C和Jυ.Cln/△C是一相当好的直线关系，这样参数σ和P也可从这条直线的斜率和截距中求得。
8种膜的三个性能参数列于表1。
表1 膜的性能参数Lp、σ、P
膜 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#
σ 0.943 0.903 0.899 0.857 0.457 0.131 0.313 0.2998
P×107(m/s) 3.33 12.65 7.17 5.03 24.5 10.2 24.0 5.95
Lp×1012(m/Pa.s) 4.84 10.32 4.48 4.40 9.12 11.05 14.80 12.67
从表1可知，实验所用膜对NaCl的σ值在0.131～0.943之间。
3.3 膜结构参数的计算
根据改进的“孔模型”，式(10)的关系式可如图2所示，因此，在膜的σ值已知时，可从式(10)求出q值，再代入溶质的Stokes半径即可得到膜的rp值(＝rs/q)
图2 σ与q之间关系
列于表2的膜的另一个结构参数Ak/△X也是基于孔模型，采用式(11)从q值和实验数值溶质的渗透系数P计算得到。
表2 从孔模型中得到的膜结构参数rP和△X值
膜 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#
rp×1010(m) 2.02 2.18 2.21 2.31 3.85 8.78 5.19 5.39
Ak/△x(m-1) 2.72×105 3.67×105 1.78×105 7.98×104 1.9×104 1.63×103 8.20×103 1.91×103
若将膜的Ak/△X值和表1中的Lp值代入式(12)，则可得到由水的透过速率Lp得到的膜孔半径，以rω表示，结果见表3。
表3 由水的透过速率得到的膜孔半径rω
膜 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#
rω×1010(m) 3.77 4.74 4.49 6.64 19.6 73.6 38.0 72.9
比较表2和表3，可看到，rω与rp并不一致，并且rω大于rp。
不同文献〔1.3〕在利用“孔模型”时，提到由P得到的Ak/△X值与由Lp得到的Ak/△X值之间存在偏差，即从溶质透过膜参数与从溶剂透过膜参数得到的膜结构参数并不一致。
以rp对rω作图，可看到除了8#膜，其余膜的rp与rω几乎落在一条直线上，见图3。因8#膜为SPS膜，其余的均为CA膜。8#膜的rp与rω的关系不在直线上。也许，因材料不同，它的斜率和截距不同。
图3 rp与rω关系
除去8#膜的rp和rω值，对其余7种膜的rp和rω进行线性回归的结果是：
rp＝0.09527rω＋1.739 (13)
或者改写成
rω＝10.50(rp-1.739) (14)
rp与rω之间的线性相关系数是0.9986，对rp的标准偏差是0.14。因此，可以认为对于CA膜，在NaCl水溶液体系中，根据孔模型由膜性能参数σ和P得到的膜孔半径rp与根据透过溶剂而计算出的膜孔半径rω之间存在线性关系。
由式(14)和图3可知，当rp小于1.74×10-10m时，rω已为零，也即此时，膜的纯水透过速率为零。这与祝振鑫等〔7〕推导的当网络孔半径小到2.0×10-10m时，膜产率为零的推论非常相近。水分子半径为0.87×10-10m，也即当孔道小于两个水分子时，水分子即被卡住，使水不能流动。
4 结 论
本文利用孔模型，对8种膜的性能参数和结构参数进行了测定。实验表明，由溶质的Stokes半径基于孔模型得到的膜孔半径rp与从溶剂水的透过速率得到的膜孔半径rω并不一致，但存在线性关系。对于CA膜，在NaCl水溶液体系中，它们的关系是: rω＝10.50(rp-1.739)。相关关系是0.9986，对于rp的标准偏差是0.14。这也表明当rp小到1.74×10-10m时，膜的纯水透过速率为零。
对其它材料制成的膜的rp与rω之间关系有待进一步实验。
B. 耐碱型纳滤膜在水处理中存在哪些问题
纳滤膜在大型饮用水深度处理中应用存在的主要问题，首先是现有纳滤膜的版操作压力大，权电耗高;其次纳滤膜的通量低，膜设备的投资大，纳滤膜的有机和无机污染严重，运行费用高，操作管理复杂;并且陶氏膜的预处理要求高，预处理工艺组成复杂。纳滤膜污染一方面会使膜通量降低，导致设计的膜设备数量增加，另一方面膜污染会使纳滤膜操作压力增大，运行费用提高。
C. 纳滤水是什么呀
是指用纳米膜为核心技术生产出来的水纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗专透（RO）和超滤膜之间属。因此，使用这种膜的水处理技术叫做纳滤。
纳滤膜能够截留分子量为几百的物质，对NACI的截留率为50%至70%，对某些低分子有机物的截留率可达90%。由于纳滤对清除水中天然有机物效率较高，又能适当保留低分子量的无机成分，因此在净水处理中发展较快。
D. 纳滤和反渗透技术，哪个是最好的净水解决方案
家用用于自来水的话 一般超滤是用于厕所或总进水处或厨房粗滤。 反渗透用于客厅食厅或吧台 茶几处等直接饮水量大的地方。
家用方案一般还是活性炭>大流量超滤>多级反渗透...当然在专修时布设完成，不然很丑哈哈
E. 反渗透和纳滤的区别是什么
反渗透（RO）和纳滤（NF）技术都是净水设备进行水处理方式，净水设备一般以这两个技术做出的反渗透膜和纳滤膜进行区分，两者有以下区别：
1、过滤精度不同
反渗透可以脱除最小的溶质，分子量小于0.0001微米，由于高的过滤精度，可以滤除水中的细菌和各种杂质，一般用于家庭纯净水、工业超纯水和医疗超纯水的制造。纳滤可脱除分子量在0.001微米左右的溶质，用于过滤精度要求稍低的环境，一般用于水软化、微污染脱盐和工业纯水的制造。
2、脱盐率不同
反渗透技术的脱盐率在99.5% ，能有效截流所有溶解盐份及各种分子量大于＞100的有机物，同时允许小分子团通过。纳滤系统采用的是错流过滤的方式，脱盐率在80到90%之间，主要应用于大分子物质的浓缩和纯化。
3、产生的“废水”比例不同
反渗透和纳滤都是通过加压、加电的方式净化水，但反渗透技术由于膜的构成不同，反渗透产生的废水在1:2—1:3，纳滤的废水比在1:1，以省水和环保方面来说，反渗透技术更加耗费资源，纳滤技术相比具有部分去除单价离子、过程渗透压低、操作压力低、省能等优点。
(5)纳滤技术水的渗透通量扩展阅读
超滤（UF）和微滤（MF）
超滤和微滤也是净水设备进行水处理的方式。
1、超滤的过滤精度在0.001—0.1微米，用压差的膜法分离技术，可滤除水中的铁锈、泥沙、悬浮物、胶体等，过滤流量大，使用成本低，但无法消除水中的部分杂质和病菌，常用于制药工业、食品工业、电子工业。
2、微滤的过滤精度在0.1—50微米，只能过滤水中的泥沙、铁锈等大颗粒杂质，是简单的粗过滤，常用于微电子行业超纯水的终端过滤，各种工业给水的预处理。
F. 纳滤能否有效去除水中的COD BOD5和TOC
首先，纳滤膜（Nanofiltration Membranes)是80年代末期问世的一种新型分离膜，其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，约为100-2000Da，由此推测纳滤膜可能拥有lnm左右的微孔结构，故称之为“纳滤”。纳滤膜大多是复合膜，其表而分离层由聚电解质构成，因而对无机盐具有一定的截留率。国外已经商品化的纳滤膜大多是通过界面缩聚及缩合法在微孔基膜上复合一层具有纳米级孔径的超薄分离层。
纳滤膜能截留纳米级（0.001微米）的物质。纳滤膜的操作区间介于超滤和反渗透之间，截留溶解盐类的能力为20%-98%之间，对可溶性单价离子的去除率低于高价离子，纳滤一般用于去除地表水中的有机物和色素、地下水中的硬度及镭，且部分去除溶解盐，在食品和医药生产中有用物质的提取、浓缩。纳滤膜的运行压力一般3.5-30bar。
纳滤过程的关键是纳滤膜。对膜材料的要求是：具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、机械强度高、耐酸碱及微生物侵蚀、耐氯和其它氧化性物质、有高水通量及高盐截留率、抗胶体及悬浮物污染，价格便宜且采用的纳滤膜多为芳香族及聚酸氢类复合纳滤膜。复合膜为非对称膜，由两部分结构组成：一部分为起支撑作用的多孔膜，其机理为筛分作用;另一部分为起分离作用的一层较薄的致密膜，其分离机理可用溶解扩散理论进行解释。对于复合膜，可以对起分离作用的表皮层和支撑层分别进行材料和结构的优化，可获得性能优良的复合膜。膜组件的形式有中空纤维、卷式、板框式和管式等。其中，中空纤维和卷式膜组件的填充密度高，造价低，组件内流体力学条件好;但是这两种膜组件的制造技术要求高，密封困难，使用中抗污染能力差，对料液预处理要求高。而板框式和管式膜组件虽然清洗方便、耐污染，但膜的填充密度低、造价高。因此，在纳滤系统中多使用中空纤维式或卷式膜组件。
在我国，对纳滤过程的理论研究比较早，但对纳滤膜的开发尚处于初步阶段。在美国、日本等国家，纳滤膜的开发已经取得了很大的进展，达到了商品化的程度，如美国Filmtec公司的NF系列纳滤膜、日本日东电工的NTR-7400系列纳滤膜及东丽公司的UTC系列纳滤膜等都是在水处理领域中应用比较广泛的商品化复合纳滤膜。
对于一般的反渗透膜，脱盐率是膜分离性能的重要指标，但对于纳滤膜，仅用脱盐率还不能说明其分离性能。有时，纳滤膜对分子量较大的物质的截留率反而低于分子量较小的物质。纳滤膜的过滤机理十分复杂。由于纳滤膜技术为新兴技术，因此对纳滤的机理研究还处于探索阶段，有关文献还很少。但鉴于纳滤是反渗透的一个分支，因此很多现象可以用反渗透的机理模型进行解释。关于反渗透的膜透过理论[2]有朗斯代尔、默顿等的溶解扩散理论;里德、布雷顿等的氢键理论;舍伍德的扩散细孔流动理论;洛布和索里拉金提出的选择吸附细孔流动理论和格卢考夫的细孔理论等。
纳滤膜的过滤性能还与膜的荷电性、膜制造的工艺过程等有关。不同的纳滤膜对溶质有不同的选择透过性，如一般的纳滤膜对二价离子的截留率要比一价离子高，在多组分混合体系中，对一价离子的截留率还可能有所降低。纳滤膜的实际分离性能还与纳滤过程的操作压力、溶液浓度、温度等条件有关。如透过通量随操作压力的升高而增大，截留率随溶液浓度的增大而降低等。
所以，纳滤膜可以去除大部分COD及BOD和TOC
G. 微滤、纳滤和反渗透处理水质有什么要求（进水控制指标）
这三个可分成2种
微滤：主要控制悬浮物或浊度、兼顾pH，
纳滤和反渗透：影响较大的是TDS含盐量，主要控制重金属离子、氧化性物质、pH
H. 纳滤和反渗透技术，哪个是最好的净水解决方案
如果是家庭使用，建议使用反渗透净水器。附图，各种净水器可过滤的物质，叉号表示不能过滤。请参考。
I. 纳滤膜直饮机为什么出水量会比反渗透机大
以碧水源公司的纳滤膜为例，纳滤膜的孔径是1纳米，水里的一些有内害物质大于1纳米的被滤掉了，容不到1纳米的也被带电基团的电荷作用分离了，这样既有效的除去了水中的细菌、余氯及重金属等有害物质，又适当保留了人体所需的微量元素及矿物元素，由于通过量高，所以废水较少，而且制水过程中不需要外力加压让水穿透纳滤膜，所以耗电较少。而反渗透膜的孔径是0.1纳米，将水中所有非水分子物质统统过滤掉，通过量较少，出来的就是纯净水，那么就会有大量的废水产生，而且由于膜两端的压差较大，需要用增压泵将水压过反渗透膜，所以耗电较大！
J. 纳滤技术的纳滤膜
纳滤膜是以压力差为推动力，介于反渗透和超滤之间的截留水中粒径为纳米级颗粒物的一种膜分离技术。
孔径在1nm以上，一般1-2nm（1纳米(nm)=0.001微米(um)）。是允许溶剂分子或某些低分子量溶质或低价离子透过的一种功能性的半透膜。它是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，它因能截留物质的大小约为纳米而得名，它截留有机物的分子量大约为150－500左右，截留溶解性盐的能力为2－98%之间，对单价阴离子盐溶液的脱盐低于高价阴离子盐溶液。
纳滤一般用于去除地表水中的有机物和色素、地下水中的硬度及镭，且部分去除溶解盐，在食品和医药生产中有用物质的提取、浓缩。