第5章纳米膜过滤技术
膜过滤技术
2、食品行业 、
• 乳清废水处理 • 乳制品生产加工应用 • 果汁澄清脱色 • 食品添加剂纯化浓缩 茶饮料澄清浓缩 • 啤酒、葡萄酒、黄酒的精制加工 • 天然色素提取液的除杂及浓缩 • 氨基酸发酵液过滤澄清及精制
3、染料化工&助剂 、染料化工 助剂
• 水溶性染料反应液的脱盐浓缩 • 染料盐析母液废水回收
膜过滤技术
一、简介 1、定义：
• 膜是具有选择性分离功能的材料，利用 膜的选择性分离实现料液的不同组分的 分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。 • 它与传统过滤的不同在于，膜可以在分 子范围内进行分离，并且这过程是一种 物理过程，不需发生相的变化和添加助 剂
2、分类
• 膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的 不同（或称为截留分子量），可将膜分 为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜， • 根据材料的不同，可分为无机膜和有机 膜，
• 采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点： (1)、能耗极低，节省浓缩过程成本； (2)、过程无化学反应、无相变化，不带入其他杂质及 造成产品的分解变性； (3)、在常温下达到浓缩提纯目的，不造成有效成分的 破坏，工艺过程收率高； (4)、可完全脱除产品的盐分，减少产品灰分，提高产 品纯度； (5)、可回收溶液中的酸、碱、醇等物质； (6)、设备结构简洁紧凑，占地面积小； (7)、操作简便，可实现自动化作业，稳定性好，维护 方便。
（二)、超滤 、超滤(UF)
• 对于超滤而言，膜的截留特性是以对标 准有机物的截留分子量来表征，通常截 留分子量范围在1000-300000，故超滤膜 能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、 胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用 于料液的澄清、大分子有机物的分离纯 化、除热源。
（三)、纳滤 、纳滤(NF)
纳米膜过滤技术
纳米膜过滤技术-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII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：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，并且具有电压的量纲。
纳米膜技术
纳米膜技术一、概述纳米膜技术是一种将纳米材料制备成膜的技术，可以应用于多个领域，如电子学、生物医学、环境保护等。
该技术的发展为纳米科技的应用提供了新的途径和思路。
二、制备方法1. 溶液法利用化学合成方法制备纳米颗粒，然后将其分散在溶液中，通过控制沉淀速度或挥发速率来形成薄膜。
2. 物理气相沉积法将纳米颗粒加热至高温状态，使其蒸发并沉积在基底上形成薄膜。
3. 电化学沉积法通过电解液中的离子还原反应，在电极表面沉积纳米颗粒，并形成薄膜。
三、应用领域1. 电子学利用纳米材料制备的导电性能优异的纳米薄膜作为晶体管或显示器件中的导电层。
2. 生物医学利用生物相容性好且具有生物活性的材料制备出具有特定功能的纳米薄膜，如可降解的药物缓释膜、组织修复膜等。
3. 环境保护利用纳米薄膜的高效过滤性能，制备出具有良好分离效果的纳米过滤膜，用于水处理、空气净化等领域。
四、纳米薄膜的特性1. 尺寸效应由于其尺寸在纳米级别，因此具有较大的比表面积和量子效应等特性。
2. 机械性能纳米薄膜具有较高的硬度和强度，但由于其尺寸小，容易发生断裂或破坏。
3. 光学性能纳米材料具有较好的光学特性，如荧光、吸收、反射等，在光电器件中具有广泛应用。
五、发展趋势1. 多功能化将多种材料制备成复合结构的纳米薄膜，实现多种功能集成。
2. 可控制备通过精确控制反应条件和工艺参数来实现对纳米材料形态和结构的精细调控。
3. 应用拓展将纳米薄膜技术应用于更多领域，如能源、航空航天等，促进纳米科技的发展和应用。
六、总结纳米膜技术是一种具有广泛应用前景的纳米制备技术，其制备方法多样，应用领域广泛。
随着纳米科技的不断发展，纳米薄膜的特性和应用也将不断拓展和完善。
纳米材料在水处理技术中的应用
纳米材料在水处理技术中的应用第一章介绍随着全球水资源的日益紧缺和水污染问题的日益严重，水处理技术的研究和应用变得尤为重要。
纳米材料因其特殊的表面性质和宏观-微观转换的特点，成为水处理领域的研究热点。
本文旨在探讨纳米材料在水处理技术中的应用，为解决水资源和水环境问题做出贡献。
第二章纳米材料的特性纳米材料是一种粒径在纳米级别的材料，具有比传统材料更大的比表面积和更特殊的表面性质。
纳米材料有机械强度高、导电性好、热和光学性能独特等优点，这些特性使其在水处理中具备良好的应用潜力。
第三章纳米材料在污染物去除中的应用3.1 纳米催化剂纳米催化剂广泛应用于水中有毒有机污染物的降解，其高比表面积和活跃表面能够提高催化反应速率。
纳米催化剂通过吸附和催化降解机制，有效去除水中难降解的有机物。
3.2 纳米吸附剂纳米吸附剂具有较大的比表面积和多孔结构，能够高效地吸附水中的污染物。
常见的纳米吸附剂包括纳米二氧化硅、纳米氧化铁和纳米活性炭等。
这些纳米材料通过静电相互作用、吸附作用和络合作用等方式，将有害物质从水中去除。
3.3 纳米膜技术纳米膜技术是一种通过纳米孔隙结构实现分离和过滤的方法。
纳米膜通常由纳米颗粒、纳米纤维和碳纳米管等材料构成。
这些纳米材料具有较小的孔径，能够有效截留水中的悬浮物、溶解物和微生物等有害成分。
第四章纳米材料在水资源回收利用中的应用4.1 纳米过滤技术纳米过滤技术通过纳米孔隙结构过滤水中的杂质和微生物，实现水的净化和回收。
与传统过滤技术相比，纳米过滤技术有更高的处理效率和更低的能耗。
4.2 纳米吸附材料纳米吸附材料可用于水中重金属和有机污染物的吸附和回收。
纳米吸附材料具有较大的比表面积和高的吸附能力，能够高效地去除水中的污染物，减少对环境的负担。
4.3 纳米膜技术纳米膜技术在水资源回收利用中发挥着重要作用。
通过纳米膜技术可将水中的溶解盐和微生物分离，得到高纯度的水。
纳米膜技术具有脱盐效果好、能耗低等优点。
纳米膜技术
纳米膜技术概述纳米膜技术是一种基于纳米级材料制备和应用的技术，具有广泛的应用领域和巨大的潜力。
它通过控制材料的结构和性质，制备出具有特殊功能和优异性能的薄膜，可用于过滤、分离、传感、催化等多个领域。
本文将深入探讨纳米膜技术的原理、制备方法以及应用。
原理纳米膜技术基于纳米级材料的特殊性质，利用其尺寸效应、表面效应和量子效应等特征，实现对物质分子或离子的选择性传输。
纳米膜一般由多层次结构组成，包括支撑层和功能层。
支撑层提供了稳定性和机械强度，而功能层则实现了对物质传输的选择性。
在纳米膜中，通过调控孔隙大小、形状以及表面化学性质等因素，可以实现对不同尺寸、形状或电荷的物质分子或离子的选择性传输。
例如，通过控制孔隙大小，可以实现对特定分子的分离和富集；通过表面修饰，可以增强对特定物质的吸附和催化反应。
制备方法纳米膜技术的制备方法多种多样，常见的包括溶液法、气相沉积法、物理气相沉积法等。
下面将介绍几种常用的制备方法：1.溶液法：将纳米级颗粒悬浮在溶剂中，通过溶剂挥发或沉淀等方式，使颗粒自组装形成膜状结构。
这种方法简单易行，适用于大面积膜的制备。
2.气相沉积法：将气体中的原子或分子在基底表面上沉积形成薄膜。
这种方法可以控制膜的厚度和成分，并且适用于高温、高真空条件下的制备。
3.物理气相沉积法：利用物理过程如热蒸发、电子束蒸发等，在真空环境中将材料直接转移到基底上形成纳米膜。
这种方法可以制备高质量、单晶结构的纳米膜。
4.其他方法：还有一些特殊的制备方法，如电化学沉积、自组装等，可以根据具体需求选择。
应用领域纳米膜技术在各个领域都有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用领域：1.膜分离技术：纳米膜可以实现对液体或气体中特定分子或离子的选择性分离和富集，广泛应用于水处理、气体分离、生物医药等领域。
2.传感器技术：纳米膜可以通过修饰表面化学性质或引入功能材料，在传感器上实现对特定物质的高灵敏度检测。
例如，通过纳米膜修饰的电化学传感器可以实现对重金属离子、有机污染物等的检测。
膜过滤法的原理及步骤
膜过滤法的原理及步骤膜过滤法是一种常用的分离技术，广泛应用于水处理、食品加工、制药等领域。
它通过使用特定的膜材料，将混合物中的溶质和溶剂分离开来。
本文将介绍膜过滤法的原理和步骤。
一、原理膜过滤法基于膜的选择性渗透性原理，即根据溶质和溶剂的分子大小、形状和电荷等特性，通过膜的孔隙结构和表面特性，实现对它们的分离。
膜材料通常具有微孔或超微孔结构，可以选择性地允许某些物质通过，而阻止其他物质的通过。
二、步骤1. 膜的选择：根据需要分离的物质特性，选择合适的膜材料。
常见的膜材料包括聚酯膜、聚醚膜、聚丙烯膜等。
膜的孔径大小和形状也需要根据分离要求进行选择。
2. 膜的预处理：新购买的膜需要进行预处理，以去除可能存在的污染物和杂质。
常见的预处理方法包括浸泡、清洗和消毒等。
3. 膜的装配：将膜材料安装在膜组件中，形成膜分离单元。
膜组件通常由膜、支撑层和外壳组成，支撑层的作用是增强膜的机械强度和稳定性。
4. 进料处理：将待处理的混合物通过膜分离单元，通常采用压力驱动的方式。
进料可以是连续的或间歇的，具体取决于应用需求。
5. 分离过程：在膜分离单元中，溶质和溶剂根据其在膜上的渗透性差异，发生分离。
溶剂可以通过膜孔隙或超微孔进入膜的另一侧，而溶质则被截留在膜表面或孔隙中。
6. 收集产物：分离后的产物分别从膜的两侧收集。
溶剂可以通过膜的通透性直接收集，而溶质则需要通过清洗或其他方法从膜上去除。
7. 膜的维护：使用一段时间后，膜可能会受到污染或堵塞，需要进行维护和清洗。
常见的维护方法包括化学清洗、物理清洗和膜修复等。
8. 膜的回收利用：废弃的膜可以进行回收利用，以减少资源浪费和环境污染。
膜的回收利用可以通过物理方法（如破碎、熔融）或化学方法（如溶解、再生）实现。
膜过滤法是一种基于膜的选择性渗透性原理，通过选择合适的膜材料和膜组件，将混合物中的溶质和溶剂分离开来。
膜过滤法具有操作简便、效率高、分离效果好等优点，因此在各个领域得到广泛应用。
纳米滤膜的工作原理
纳米滤膜的工作原理纳米滤膜是一种高效过滤材料，其工作原理基于纳米级孔隙结构和表面性质的特殊设计。
本文将介绍纳米滤膜的原理及其应用。
一、纳米滤膜的结构纳米滤膜的基本结构由多个纳米级薄膜层叠加而成，每层膜的厚度仅为数纳米至数百纳米。
这些纳米膜通常由聚合物、陶瓷或金属等材料构成，具有优异的过滤性能。
二、纳米滤膜的过滤机制纳米滤膜主要通过两种基本机制实现过滤功能：筛分和吸附。
1. 筛分：纳米滤膜具有均匀分布的纳米孔隙，其孔隙尺寸范围通常为1到100纳米，可根据需求调整。
当待处理的物质通过滤膜时，尺寸大于孔隙的物质无法通过，而尺寸较小的物质则可以通过孔隙，实现分离和过滤的目的。
2. 吸附：纳米滤膜表面的纳米颗粒或功能化分子具有高度吸附能力，对待处理物质中的杂质、颗粒或溶质进行吸附。
通过吸附作用，纳米滤膜能够有效去除物质中的微量杂质，提高过滤效率和净化质量。
三、纳米滤膜的应用纳米滤膜广泛应用于各个领域，包括水处理、食品加工、制药、生物医学等。
以下是几个常见应用领域的介绍：1. 水处理：纳米滤膜在水处理中起到关键作用。
其高效的过滤机制能够去除水中的微量悬浮颗粒、有机物、重金属等污染物，提供清洁安全的饮用水。
同时，纳米滤膜还能够拦截病毒、细菌和微生物，防止水中传播疾病的风险。
2. 食品加工：纳米滤膜在食品加工中的应用主要是用于液体的分离和浓缩。
通过纳米滤膜的筛分机制，可以去除食品中的悬浮颗粒、胶体物质等杂质，提高产品的质量和纯度。
3. 制药：在制药过程中，纳米滤膜通常用于分离和纯化药物。
通过纳米滤膜的吸附和筛分机制，能够去除药物中的微量杂质、溶剂和其他不需要的成分，保证药物的安全性和有效性。
4. 生物医学：纳米滤膜在生物医学领域发挥着重要作用。
它可以用于分离和富集生物分子、细胞和病原体，研究生物反应、诊断疾病以及制备生物医学材料。
总结：纳米滤膜是一种高效过滤材料，其工作原理基于纳米级孔隙结构和表面性质的设计，在水处理、食品加工、制药和生物医学等领域有着广泛应用。
第五章膜过滤法讲解
截留分子量： 微滤 0.02～10μm 透析 3000 Dalton～ 几万Dalton 超滤 50ｎｍ～10０ｎｍ或5000～50万Dalton 纳滤 200～1000Dalton或1nm 反渗透 200Dalton
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概述
膜分离法与物质大小（直径）的关系
RO NF UF MF
F
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5.1 膜材料 与膜的制造
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截断曲线
得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。 质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；
反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。
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影响截留率的因素
①分子形状：线状分子易透过，R线 < R球； ②吸附作用：溶质吸附于膜孔壁上，降低膜孔有效直径 ③浓差极化作用：高分子溶质在膜面沉积，使膜阻力， 较小分子溶质的截留率，分离性能。 ④温度/浓度，T C，使R，因为膜吸附作用； ⑤错流速度，R； ⑥pH、离子强度影响蛋白质分子构型，影响R。
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聚砜膜的特点
• （1）温度范围广 • （2）pH 范围广 • （3）耐氯能力强 • （4）孔径范围宽
• （5 ) 操作压力低 • （6）适合作超滤膜
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近年来开发的新型膜材料
① 复合膜； ② 无机多孔膜； ③ 纳米过滤膜。 ④ 功能高分子膜； ⑤ 聚氨基葡糖
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膜材料 - 不同的膜分离技术
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概述
人类认识到膜的功能源于1748年，然而用于为人类服 务是近几十年的事。1960年Loeb和Sourirajan制备 出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称膜，是膜 分离技术发展的一个里程碑。
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概述
• 1925年以来，差不多每十年就有一项新 的膜过程在工业上得到应用
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唐南平衡( Donnan equilibrium)
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对于渗析平衡体系，若半透膜一侧的不能透过 膜的大分子或胶体粒子带电，则体系中本来能自由 透过膜的小离子在膜的两边的浓度不再相等，产生 了附加的渗透压，此即唐南效应或称唐南平衡。具 体地说：若一侧为NaCl溶液(下称溶液1)，其离子能 自由透过膜；另一侧为NaR溶液(下称溶液2)，其中 R-离子不能透过膜。在两溶液均为稀溶液时，可以 其离子活度视作离子浓度。于是在平衡时，
实验证明，它能使90%的NaCl透过膜，而使99%蔗糖被膜 截留。非对称膜平均孔径为2nm，故被命名为“纳滤膜”。
CA-RO膜的开发
RO复合膜的开发 （1972年NS-100）
1995年 开发
低压高截留率RO膜
NaCl截留率≥99% NTR-759H、 BW-30(即FT-30)、
SU-700
1996年 超低压RO膜
第5章 纳米膜过滤技术
5.1 概 述
一. 纳滤技术的发展过程
纳滤膜（NF膜）介于RO膜和UF膜之间，近十几年来发展 迅速，是当前膜分离技术研究与开发的热点之一。
早期，有人称纳滤膜为“疏松的反渗透膜(Loose Reverse Osmosis Membrane)”，将介于反渗透和超滤之间的膜分离 技术称为“杂化过滤(Hybrid filtration)”。直到20世纪80年 代，才渐趋统一，称为纳滤(Nanofiltration)。纳滤是由反渗 透膜发展而来的。
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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，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），该 模型可表征电解质及其离子在荷电膜内的传递。
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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。
在平衡时，[C1-]1>[C1-]2；[Na+]1<[Na+]2。也就 是说，在平衡时，上述系统中的Na+，C1-和R-都是 不均匀的。此理论可用于解释离子交换树脂对溶液 中的离子进行交换时的平衡关系。
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一、NF膜的传质机理
NF与UF、RO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。UF主要为孔流形式（ 筛分效应）；RO为溶解~扩散过程（静电效应）；而 NF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。
其对大分子的分离机理与UF相似，但对无机盐的分离行为 不仅由化学势梯度控制（溶解扩散机理），也受电势梯度的 影响，即NF膜的分离行为与其荷电特性、溶质荷电状态以 及二者的相互作用均有关系。
在文献报道中，关于NF膜的分离机理模型有空间位阻~孔道 模型、溶解扩散模型、空间电荷模型、固定电荷模型、静电 排斥和立体位阻模型、Donnan平衡模型等。
空间位阻效应
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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。
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NF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。
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二、NF的传质模型
1、非平衡热力学模型 经典热力学研究体系的平衡或进行理想的、可逆的变化 经典热力学不适用于描绘生命体系
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微滤（MF） 超滤（UF） 纳滤（NF） 反渗透（RO）
细菌、病毒 悬浮颗粒
蛋白质、酶等 大分子有机物 抗生素、合成药、染料 二价及多价盐、二糖等
单价盐（NaCl、KCl等）
水
膜分离特性示意图
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5.2纳滤膜的分离机理
与UF膜相比，NF膜有一定的荷电容量，对不同价态的离子 存在Donnan效应；与RO膜相比，NF又不是完全无孔的， 因此其分离机理在存在共性的同时，也存在差别。
开发
NF膜(疏松型RO膜))
NaCl截留率≤99% NTR-729HF、 NTR-7250 NTR-7400系、NF-45、 NF-70、NF-90、SU-200S SU-600
纳滤膜的发展过程
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二. 纳滤膜的特点
它有两个显著特征：
一个是其截留分子量介于RO和UF之间，为200～2 000； 另一个是NF膜对无机盐有一定的截留率:
非平衡热力学或称不可逆热力学是较近期发展的，它扩 充了经典热力学的原理，以不可逆物质和能量流为特 征以表示平衡，引入了“时间”参数来处理流率。
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溶剂透过通量： Jv=Lp(△σ△π)
溶质透过通量： Js =-(P△x)
dc dx
+ (1-σ)Jvc
截留率： R=1 ccm p=σ1(-1F-F σ)
对于阴离子，截留率为NO3-＜Cl-＜OH-＜SO42-＜CO32对于阳离子，截留率为H+＜Na+＜Ca2+＜Mg2+
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NF 膜 能 截 留 透 过 UF 膜 的 那 部 分 相 对 分 子 质 量较小的有机物，而又能渗透被RO膜所截留 的 无 机 盐 。 操 作 压 力 比 RO 低 （ 一 般 低 于 1.0MPa），通量比RO大。
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5.3纳滤膜的材质/制备方法
NF 膜 的 制 备 工 艺 有 相 转 化 法 、 稀 溶 液 涂 层 法 、 界面聚合法、热诱导相转化法、化学改性法、等 离子体聚合法。其中目前用的大多数复合NF膜 是用界面聚合法制备的。
NF膜组件形式与RO类同，有板式、管式、卷式 和中空纤维等结构形式。其中，卷式元件用得最 普遍；在粘度和浓度较高的场合，管式组件较适 合。
[Na+]1[Cl-Fra bibliotek1 =[Na+]2[Cl-]2 。
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因[Na+]1=[Cl-]1 ，[Na+]2=[R-]2+[Cl-]2， 于是 [Na+]1[Cl-]1 =[Cl-]12 ，
[Na+]2[Cl-]2 =([R-]2+[Cl-]2)[Cl-]2=[R-]2[C1-]2+[C1-]22 比较上述关系后可见：