荷电纳滤膜的DSPM传质模型及其发展
材 料 ２Ｏ１３牛第２２期（４４）卷
文章编号：１００１—９７３ｌ（２Ｏ１ ３）２２ ３２３０—０５
荷电纳滤膜的ＤＳＰＭ传质模型及其发展
王 钊 ，徐一涵 ，贾玉玺 ，石彤非
（１．山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，山东济南２５００６１；
２．巾 科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室，吉林长春１３００２２）
摘 要： 纳滤膜是一种重要的分离功能膜。发展一
种既能描述纳滤过程基本物理现象又具有应用价值的
离子截留模型是纳滤科学领域的一大挑战。从纳滤分
离机理和模型建立两方面，对基于扩展的Ｎｅｒｎｓｔ Ｐｌａｎｃｋ方程的道南位阻孔模型（ＤＳＰＭ）进行了总结，
综述了考虑浓差极化层的ＣＰ—ＤＳＰＭ模型、考虑介电
效应的Ｉ）ＳＰＭ ，ＤＥ模型以及同时考虑两种影响因素
的Ｉ Ｉ １、Ｍ模型。采用上述４种模型，基于有限元模拟
方法获得了溶液渗透通量与离子截留率的关系曲线， 并开展了比较性分析。最后简述了荷电纳滤膜ＤＳＰＭ
模型以及纳滤技术的发展方向。
关键词： 纳滤膜；ＤＳＰＭ；ＣＰ ＤＳＰＭ；ＤＳＰＭ Ｉ）Ｅ；
ＰＰＴＭ
中图分类号：ＴＱ０２８．８ 文献标识码：Ａ
Ｉ）（）Ｉ：１ ０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｒ１．１００１—９７３１．２０ｌ３．２２．００４
１ 引 言
作为新型的分离功能膜，纳滤膜在饮用水制备、废 水处 、产品脱盐和纯化等领域得到了广泛应用，在
能减排、环境保护方面发挥着重要作用 。。相比于反
渗透处理，纳滤膜对离子截留具有选择性好、操作压乃
低、溶液通量大等优点。在选择适用于组分明确的溶 液处理的纳滤膜时，纳滤传质模型具有重要作用。这
足因为合理的模型不但能用于膜结构和过滤过程表
、膜设汁 优化， 且能为终端用户在选择纳滤膜时 提供重要的参考数据。促进膜技术的广泛应用。
纳滤属于 力驱动的膜分离过程，纳滤膜的研究
疗法 往是从趟滤、反渗透科学体系中借鉴来的，并与
电化学、胶体、生物工程等其它学科交叉融合。纳滤膜
一般是荷电 膜，纳滤膜内的物质传输主要由３个驱
动力决定：浓度梯度、压力差及电势梯度。值得关注的
足，王晓琳等 从膜孔结构和荷电性质、分离机理及其 模 、动电性质３方面综述了纳滤膜分离技术的基础
及应用研究成果，概述ｒ纳滤膜分离技术的发展方向
及趋势 关于纳滤传质模型的研究主要集中于下述几个方
面。针对非电解质溶液的非平衡热力学模型是以非平
衡热力学为基础的，不考虑膜的内部结构和溶质透过 机理，目前应用较为Ｊ＇‘泛的是Ｋｅｄｅｍ—Ｋａｔｅｈａ｜ｓｋｙ模
型 和Ｓｐｉｅｇｌｅｒ—Ｋｅｄｅｍ模型 。针对非电解质溶液、
有孔不带电膜的细孔模型 。则是在Ｓｔｏｋｅｓ Ｍａｘｗｅｌｌ
摩擦模型的基础上加入ｒ 体阻碍的影Ⅱ向。而在针对 电解质溶液、无孔膜的固定电倚模型即 ＦＭＳ（Ｔｅｏｒｅｌｌ—
Ｍｅｙｅｒ—Ｓｉｅｖｅｒｓ）模型 ’ 里，假设膜是 个凝胶层嘶忽
略了膜的微孔结构，认为膜相中电荷分布均匀，仅在膜
面垂直方向因Ｉ）ｏｎｎａｎ效应和离子迁移『『Ｉｆ存在一定的 电势分布和离子浓度分布。在针埘电解质溶液、有孔
带电膜的空间电荷模型 里，似定膜由孔径均一、壁面
上电荷均匀分布的微孔组成，孔内电势分布和离子浓
度用Ｐｏｉｓｓｏｎ—Ｂｏｈｚｍａｎｎ方程描述，离子的传输现象用 Ｎｅｒｎｓｔ Ｐｌａｎｃｋ方程描述，流体流动用Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ
方程描述。在细孑Ｌ模型和 ＦＭＳ模型的基础上，ｊ－晓
琳等在１９９５年提出了静电位阻模型。。 。，既考虑＿ｒ细 孔模型所描述的膜微孔对［｝１性溶质的位阻效应，义号
虑＿ｒ固定电荷模型所描述的膜带电特性对离子的静电
排斥作用。Ｂｏｗｅｎ等在ｌ ９９７年捉出ｒ基于扩展的
Ｎｅｒｎｓｔ Ｐｌａｎｃｋ方程的ＤＳＰＭ模型（Ｉ）ｏｎｎａｎ ｓｔｅｒｉｃ ｐｏｒｅ ｍｏｄｅ１）『． 。随着科技的进步，许多物理现象 断
被补充到模型中去，之前在模型建立过程中被简化或
忽略的因素都逐渐见诸报道。因此，有必要对荷电纳
滤膜的ＤＳＰＭ传质模型及其发展作…综述和比较性 分析，以促进膜科学的发展和膜技术的应用。
２ ＤＳＰＭ模型及其发展
２．１ ＤＳＰＭ模型
ＤＳＰＭ模型假定膜内含有孔径均一的笔直圆柱
孔，粒子半径用Ｓｔｏｋｅｓ半径表示，纳滤膜孔壁』－的电
荷密度沿膜孔轴向固定不变，膜的有效体积电荷密度 在各处相等且为常数，粒子浓度、渗透通量、电势都用
孔径向平均值来定义。溶质组分ｉ在膜孔内的轴向运
ｘ基金项目：Ｈ家重点基础研究发展计划（９７３汁划）资助项¨（２０１２ＣＢ８２ｌ ５０５）；中国科学院知识创新工程重要方向资助项臼 （ＫＪＣＸ２一Ｙｗ Ｈ１９）；山东省自然科学杰出青年基金资助项目（ＪＱ２ｏ１０ｌ６） 收到初稿日期：２０１ ３－０卜２（） 收到修改稿日期：２Ｏｌ３ Ｏ４—２２ 通讯作者：贾玉玺 作者简介：王钊 （１９８９），男，山东济南人，在凑硕十，师承贾玉 教授，从事膜过程基础研究。
王钊等：荷电纳滤膜的ＤＳＰＭ传质模型及其发展 动可以用扩展的Ｎｅｒｎｓｔ—Ｐｌａｎｃｋ方程来描述 ：
一Ｄ ｄｃｉ＋Ｋｉ，ｃＣｉＪＪ 一 （１）一一 ＋Ｋ ｖ一 ’
式中，右边各项分别为由于扩散、对流、电势梯度
引起的溶质传输。Ｊ 为离子ｉ的渗透通量，‘， 为溶液
的渗透通量，ｃ 为离子ｉ在膜孔内的浓度， ，为离子ｉ
的化学价，Ｒ为气体常数，丁为热力学温度，Ｆ为法拉 第常数， 为膜孔中的轴向电势，Ｄ 为离子ｉ在膜孔
内的位阻扩散系数，Ｋ 为离子ｉ在膜孔中的对流传
递位阻因子口。＇ ］。在求解ＤＳＰＭ模型时，通常采用基
于有限元理论的计算流体力学方法，计算水力 数
Ｋ 以及滞后系数Ｇ，进而获得位阻系数；而静电位阻 模型则引入了细孔模型的位阻系数。此外，静电位阻
模型不考虑位阻效应对离子在膜表面分配产生的影
响，而ＤＳＰＭ模型既考虑了电荷效应又考虑了位阻效
应对离子在膜表面分配的影响。 组分ｉ在膜与外部溶液界面处的分离效应可以用
空间位阻效应和道南效应来描述：
ｃ， Ｆ 一 ｅｘｐ（ △ Ｄ） （２）
式中，Ｃ 为离子ｉ在外部溶液中的浓度， ．为离子
ｉ的位阻因子，△ 为道南电势。
此外，在膜外部的溶液和膜孔中的溶液应保持电
中性条件，故有：
∑ＺｉＣ 一０ （３）
∑ 。＋Ｘ ｄ＝＝＝０ （４）
其中，Ｘ 为有效膜体积电荷密度。
ＤＳＰＭ模型的一个重要特性在于可以用膜的孔径
（ｒ ）、等效膜厚（Ａ：ｒ／Ａ ）和膜微孔内的有效体积电荷
密度（Ｘ ）３个特征参数来表征膜的分离性能。利用 ＤＳＰＭ模型研究纳滤膜对盐类截留的一般程序为：首
先利用纳滤膜对非电解质溶液的截留数据拟合得到膜
孔径值，再利用对纯水的渗透通量计算出膜有效厚度 与孔隙率之比，最后利用对单一电解质溶液的截留数
据得到膜有效电荷密度 。膜孑Ｌ径决定了膜的筛分
效应，从而影响分离中的对流作用。当通量上升到一
定程度时，膜的分离能力将无法随通量的增加而提高， 这种情况发生的原因是膜内可容纳溶质粒子的空问大
小，即膜厚与孔隙率是有限的。在ＤＳＰＭ模型中，这 两个参数被整合为一个：膜厚与孑Ｌ隙率的比值（ ｚ／
Ａ ）。Ａａ－／Ａ 可以通过实验方法测定纯水透过系数 （Ｌ。），再根据细孑Ｌ模型得到膜孔径，运用Ｈａｇｅｎ—Ｐｏｉ
ｓｅｕｉｌｌｅ方程计算得到，还可以根据细孔模型中的溶质
透过系数（Ｐ）、溶质的Ｓｔｏｋｅｓ半径和膜孔径的比值
（ｒ／）及其与Ａｚ／Ａ 之间的关系式，拟合得到△ ／Ａ 。 这两种方法得到的Ａａ：／Ａ 差异性较小口 。界面上电
荷的来源主要是膜表面官能团的解离和溶液中离子的 吸附。关于膜内体积电荷密度的计算方法主要有两
种，一是基于Ｂｏｗｅｎ等提出的等温吸附理论；另一种
是从界面与胶体化学中借鉴而来的Ｇｏｕｙ—Ｃｈａｐｍａｎ双 电层理论。其中，前者是通过实验数据拟合的方法来
描述膜电荷密度与溶质浓度之问的关系，无法客观描
述离子吸附的机理；后者认为电解质溶液中的离子为
点电荷，电解质溶液为连续介质，假设离子间的作用力 为静电力。王晓琳、付生等 ” 以ＴＭＳ模型为基础，
采用扩展的Ｎｅｒｎｓｔ Ｐｌａｎｃｋ方程，结合Ｇｏｕｙ—Ｃｈａｐｍａｎ 双电层理论和Ｄｏｎｎａｎ平衡模型建立了数学模型，该
模型对低浓度的一价离子截留率的预测较好。在高浓 度情况下，密度泛函理论对计算膜表面电荷密度更准
确ＥｌｓＪ。
随后的一些文献 基于ＤＳＰＭ模型，针对不 同的纳滤膜（无机膜和有机膜）、不同的溶液体系（无机
盐和染料）进行了研究，验证了该模型的实用性。随着
分析技术手段的不断提高，将这些现代化仪器用于纳
滤膜传质规律的验证成为了当前的一种研究趋
势 。 ＇。 。
传统的ＤＳＰＭ模型的缺点也是明显的 。 。首先，
ＤＳＰＭ模型是一个半经验模型，拟合过程需要大量的
实验数据，模型的预测精度很大程度上取决于模型参
数选取的优劣；其次，拟合结果往往不能得到一个单一 的有效膜厚度与孔隙率之比，而且会得到不符合实际
的较高的有效膜电荷密度。另外，仅仅根据道南效应
不能解释纳滤膜对二价抗衡离子的高截留率。 ２．２ ＣＰ—ＤＳＰＭ模型
纳滤膜分离过程中，由于膜的选择性，被截留组分
在膜的料液侧表面逐渐积累，其浓度逐步高于料液主
体浓度，形成浓差极化现象。浓差极化会使实际的渗
透通量和截留率低于理论估算值。若溶质浓度超过溶 解度就会形成沉淀，堵塞膜孔，导致膜污染。
Ｂｏｗｅｎ等 用扩展的Ｎｅｒｎｓｔ—Ｐｌａｎｃｋ方程来描述
浓差极化层内的传质过程，只是不再包含位阻项：
．一一 ＋ＣｉＪＤ Ｆ ．一一 ＋ 一 （５）
式中，Ｄ 为离子ｉ在溶液中的扩散系数。
对于二元体系，浓差极化层厚度可用下式计算：
一 ｃ６ 一— 一 （）
式中，Ｄ ， 为电解质在溶液中的有效扩散系数，
对于二元体系可由阴阳离子的扩散系数计算得到。 ：
Ｄ．＿Ｄ （ ＿＿一 ） Ｄ ｅｆｆ，￣一 ＝＝ ７） Ｚ ｕ一－ｚ Ｕ 志为浓差极化层的传质系数ｒ２ ］。关于它的求法，
一种方法是由不同操作条件下的舍伍德数来表征 ；
另一种方法是首先在高的溶液流动速率下（可视为忽
略浓差极化层的影响）测定真实截留率Ｒ，然后再在正
纳米膜过滤技术
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。
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，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。
211171499_镁锂分离复合纳滤膜研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 4 期
镁锂分离复合纳滤膜研究进展
叶海星1，陈宇昊1，陈仪2，孙海翔1，牛青山2
（1 中国石油大学（华东）材料科学与工程学院，山东 青岛266580；2 深圳大学高等研究院，广东 深圳 518061）
摘要：随着新能源等行业的快速发展，锂的需求量急剧增加。纳滤膜分离作为一种具有能耗低、成本低、绿色环
保等优点的盐湖提锂方法，受到越来越广泛的关注。该方法能够减小卤水中的镁锂比，降低后续提锂难度，在盐
湖提锂行业拥有巨大的潜力。但由于发展较晚，理论体系尚不完善，推动工业应用的进程缓慢。本文从分离机理
入手，分析了近年来用于提升镁锂分离纳滤膜性能的改性方法，包括表面接枝改性、两相溶液添加剂、新单体设
计、基膜改性和界面聚合（IP）工艺优化五种方法。同时，阐述了各种改性方法对纳滤膜结构和性质的影响。分
析表明：表面改性的方法可以改变膜表面电荷但无法精确调控膜的孔径；添加剂可以减小水传输阻力但膜的耐受
性有待考察；单体设计和基膜改性能够有效地提升选择性和渗透性；工艺优化较为复杂，进行工业放大有一定难
度。总的来说，纳滤膜在盐湖提锂行业的发展十分具有前景，配合其他提锂工艺，以期实现绿色提锂、高效提锂。
关键词：镁锂分离；纳滤膜；改性方法；选择性；渗透性
中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）04-1934-10
Research progress of composite nanofiltration membrane for magnesium
and lithium separation
YE Haixing1，CHEN Yuhao1，CHEN Yi2，SUN Haixiang1，NIU Qingshan2
(1 School of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong,
纳滤膜制备的研究进展
中国材料科技与设备（双月０１） 纳滤膜制备的研究进展 ２０１３年・第４期
纳滤膜制备的研究进展
李国东 ，王晓璐
（南开大学滨海学院环境科学与工程系，天津３００２７０）
摘要：对纳滤膜技术进行了简单介绍，包括纳滤膜的特点、种类、应用领域。综述了国内外纳滤膜制备方法的研究进
展，主要有Ｌ—ｓ相转化法、共混法、荷电化法、复合法等。其中复合法是用的最多的，比较容易得到高性能的纳滤膜。
最后，总结了纳滤膜制备方法中存在的问题并对纳滤膜的应用前景进行了展望。
关键词：纳滤膜；膜技术；膜制备方法；复合纳滤膜
中图分类号：ＴＱＯ２８ 文献标识码：Ａ
０ 引言
纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种压力驱动型膜分 离技术，近２Ｏ年来发展迅速，是当前膜分离技术研究与开
发的热点之一，纳滤膜因其低成本、低维护费用以及低压
操作而在废水处理、水软化、医药、食品加工等工业方面
有广泛的应用 ，因此纳滤膜与纳滤膜制备方法的研究成
为纳滤膜研究的关键。
１ 纳滤膜简介
１．１纳滤膜的特点［。 ］
纳滤膜拥有纳米级的膜孔径，其截留分子量在２００～
２０００，由于纳滤膜上通常带有电荷，因此，对带电的离子有很
高的截留率。在纳滤过程中的操作压力一般小于１．５ＭＰａ，故
也称为低压反渗透膜或疏松的反渗透膜。操作压力低的话对于
设备的投资和维护费用就可以降低，因为其对动力设备要求就
会降低。而且由于纳滤膜上常带有电荷，Ｄｏｎｎａｎ效应阻止了
同名离子向膜内的扩散，为了保持电中性，反离子也被膜截
留，能分离出不同的离子。因此物料的荷电性，离子价数和浓
度对膜的分离效应有很大影响。正是因为这些优点，纳滤技术
在世界范围内的各个领域被越来越多的应用。
１．２纳滤膜的种类
纳滤膜可分为有机膜和无机膜。无机膜包括陶瓷膜、
金属膜等。无机纳滤膜具有良好的耐溶剂性能，但价格昂
贵。目前应用最广的有机纳滤膜分类如表１。
表１有机纳滤膜的分类
醋酸纤维素膜（ＣＡ）、聚酰胺复合膜
纳滤膜技术研究及市场进展
纳滤膜技术研究及市场进展
杨玉琴
【摘 要】本文对纳滤膜的技术及市场现状进行了介绍,包括纳滤膜的特点、种类、应用领域、制备方法、国内专利情况、国内外的主要供应商的介绍等,并对目前市场上应用最广泛、综合性能最优的复合纳滤膜品种一聚哌嗪酰胺复合纳滤膜的结构及制备流程进行了重点介绍.目前,我国已经将纳滤膜的研制与发展列入《高性能膜材料科技发展“十二五”专项规划》中.最后,文章对纳滤膜的发展前景进行了预测.
【期刊名称】《信息记录材料》
【年(卷),期】2011(012)006
【总页数】9页(P41-49)
【关键词】纳滤膜;复合膜;聚哌嗪酰胺复合纳滤膜
【作 者】杨玉琴
【作者单位】中国乐凯胶片集团公司研究院,保定071054
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ9
1 引言
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩，纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单，易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工，冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。
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），可将膜分为反渗透膜R0、纳滤膜NF、超滤膜UF、微滤膜MF等。目前国内外膜分离领域研究的热点之一是纳滤膜分离技术。人们通常认为纳滤膜是一种具有纳米级带电微孔结构的分离膜。纳滤膜技术的独特性能使得它在许多领域特别是水处理领域具有其它膜技术无法替代的地位，它的出现不仅完善了膜分离过程，而且正在逐渐替代某些传统的分离方法［1－3］。
2 纳滤膜简介
2.1 纳滤膜的特点
纳滤膜是20世纪80年代初继典型的反渗透复合膜之后研制开发的一种新型分离膜，其孔径范围介于反渗透膜和超滤膜之间，约1nm左右，故称为纳滤膜。它具有两个显著特征：一是截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，约为200～1000；二是纳滤膜表面分离层由聚电解质所构成。纳滤膜对一价离子的截留率低，如对于NaCl截留率一般低于90%，而对二价或高价离子，特别是阴离子具有大于98%的截留率。另外，与反渗透技术相比，纳滤膜分离过程还具有操作压力低，出水效率高，浓缩水排放较少等优点。从膜的结构上来看，纳滤膜大多数是复合型膜，即膜的表层分离层和它的支撑层化学组成不同。与超滤及反渗透等膜分离过程一样，纳滤膜也是以压力差为推动力的膜分离过程，是一个不可逆过程。其分离机制可以运用电荷模型 （空间电荷模型和固定电荷模型）、细孔模型以及近年来才提出的静电排斥和立体阻碍模型等来描述。与其它膜分离过程相比，纳滤膜的一个优点是能截留透过超滤膜的小分子量的有机物，又能透析反渗透膜所截留的部分无机盐—也就是能使 “浓缩”与脱盐同步进行［4－6］。
纳滤水处理应用研究现状与发展前景_侯立安
第30卷 第4期膜 科 学 与 技 术Vol.30 No.42010年8月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYAug.2010
专家论坛
纳滤水处理应用研究现状与发展前景
侯立安,刘晓芳
(第二炮兵工程设计研究院,北京100011)
摘 要:纳滤技术作为一种新型的膜分离技术,近年来得到国内外专家学者的广泛关注和深
入研究.结合课题组在纳滤水处理领域的研究进展,综述了纳滤膜技术在工业水处理、饮用水
净化、医药废水、垃圾渗滤液处理、淋浴水回用、特种水处理及海水淡化等方面的研究现状,并
展望了纳滤膜技术的发展前景.
关键词:纳滤膜;水处理;综述
中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1007-8924(2010)04-0001-07
水是生命之源,能源之本,同时也成为各国之间
争夺的宝贵资源.随着世界经济的高速发展,环境污
染问题显得日益突出,严重威胁着人类的用水安全.
不仅如此,一些传统或非传统的安全问题,如藻类水
华问题、美国“9·11恐怖袭击事件”、美国“炭疽邮
件事件”、日本地铁“沙林事件”等,对水资源安全都
造成了很大威胁.生物恐怖成为恐怖分子所钟爱的
手段.这些都将严重威胁人类赖以生存的水资源,水
处理技术的开发及应用显得尤为重要.
纳滤(Nanofiltration,简称NF)是介于反渗透
(RO)和超滤(UF)之间的一种膜分离技术,是目前
世界水处理领域研究的热点之一.纳滤膜对溶质的
截留性能介于反渗透膜和超滤膜之间.RO膜几乎
对所有的溶质都有很高的脱除率,但NF膜只对特
定的溶质具有高脱除率.其孔径范围在纳米级,一般
在1～2nm,纳滤膜通常表面荷负电,对不同电荷和
不同价态的离子具有相应不同的Donann电位[1],
纳滤膜的孔径和表面特征决定了其独特的性能;纳
滤膜属于压力驱动膜,可在很低的操作压力下高效
地脱除有毒有害物质,同时有效地保留水中对人体
有益的微量元素和矿物质.从结构上看,纳滤膜大多
数是由化学组成不同的表层分离层和支撑层组成的
纳滤分离机理模型的研究进展
纳滤分离机理模型的研究进展
吴雨茜;唐元晖;任书平;王晓琳;武浩宇;林亚凯
【期刊名称】《膜科学与技术》
【年(卷),期】2024(44)2
【摘 要】近年来,纳滤(Nanofiltration,NF)分离技术广泛应用在物料分离、水处理等领域.对NF分离机理的认识是能够准确预测NF分离性能的理论基础.本文从历史发展的角度回顾了用于解读和预测NF分离性能的非平衡热力学模型、结构模型及其他模型.结构模型包括细孔模型、固定电荷模型、空间电荷模型、静电位阻模型、道南位阻模型与道南位阻-介电排斥模型等.总结了各模型的特点、发展及其在NF分离机理解读和性能预测方面的应用.随着分析仪器和计算机技术的进步,未来NF分离机理和理论的研究应着重于将结构模型和人工智能模型相结合,针对各种复杂的NF分离体系开展膜分离性能预测和膜材料的设计优化,以期能进一步推动NF膜的精准构筑,从而拓展其应用场景.
【总页数】10页(P188-197)
【作 者】吴雨茜;唐元晖;任书平;王晓琳;武浩宇;林亚凯
【作者单位】中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院;清华大学化学工程系膜材料与工程北京市重点实验室
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ028.8
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纳滤膜的发展历程
纳滤膜的发展历程
纳滤膜是一种用于分离物质的特殊膜材料。其发展历程可以追溯到20世纪50年代，经过了数十年的研究与发展，至今已经成为重要的分离与净化技术之一。
最早的纳滤膜是由羊肠制成的。由于羊肠具有特殊的结构，可以单向通透水分子等小分子，而阻挡其它较大分子的通过。这种羊肠膜被称为“纳滤膜的鼻祖”。
随着时间的推移，科学家们开始研发出更为高效的纳滤膜材料。1960年代，发现了聚酰胺纤维膜的纳滤效应。这种材料具有极小的孔径，能够有效地过滤掉溶解在水中的离子、大分子有机物质等。聚酰胺纤维膜开创了新的纳滤膜材料时代。
在1970年代，研究人员又发现了新的纳滤膜材料——多孔陶瓷膜。多孔陶瓷膜的孔径更小，能够通过更加精细的分子筛选，实现更高效的分离与净化。这种材料使纳滤膜技术得到了进一步的发展。
随着纳滤膜技术的发展，一系列的新型材料被推出。1980年代，研究人员开发出了中空纤维膜。中空纤维膜由许多微小的中空纤维组成，能够提供更大的过滤表面积，增加分离效率。这种膜具有较高的机械强度和稳定性，被广泛应用于饮用水净化、食品加工等领域。
1990年代，随着纳米技术的发展，纳滤膜材料迎来了一次巨大的突破。研究人员创造性地利用纳米材料制备出新型的纳滤膜。这些膜具有更加精确的孔径控制，能够有效地过滤微小的颗粒、离子等。纳米纳滤膜在水处理、药物制造等领域具有广泛的应用前景。
21世纪以来，由于纳滤膜技术的不断发展，新型材料与新的制备技术不断涌现。如中子纳滤膜、电动纳滤膜等。这些新型纳滤膜不仅提高了分离效率，同时降低了能耗和成本，为纳滤膜应用开辟了更广阔的前景。
总的来说，纳滤膜的发展经历了从羊肠膜到聚酰胺纤维膜、多孔陶瓷膜、中空纤维膜再到纳米纳滤膜的演进过程。不断提高的分离效率和经济性使纳滤膜成为了重要的分离与净化技术，在食品、饮用水处理、医药等领域发挥了积极作用。随着科学技术的进一步进展，相信纳滤膜还有更多的应用与突破等待我们去发现和探索。
pH及盐对DK纳滤膜性能的影响
pH及盐对DK纳滤膜性能的影响
陈雪方;杨刚;邢卫红;徐南平
【摘 要】采用DK纳滤膜进行电解质KCl-MgCl2水溶液纳滤实验,考察pH、盐浓度及类型对纳滤膜性能的影响.通过道南细孔-介电(DSPM-DE)模型计算等效荷电密度(Xd),研究DK纳滤膜表面电荷与性能之间的关系.通过DSPM模型拟合不同pH条件下葡萄糖截留数据表征膜的结构性质.结果表明:膜的等效膜孔(rp)和等效膜厚(△x/Ak)数值在碱性条件下大于酸性及中性的;KCl的截留率随盐浓度增加而减小,pH为4.0时截留率最小;MgCl2的截留率随盐浓度增加而增大,随pH增大而减小.模型分析发现Xd取决于pH、盐浓度及类型;对KCl和MgCl22种溶液,膜性能取决于所对应条件下Xd的大小.
【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(035)006
【总页数】5页(P43-47)
【关键词】纳滤;膜性能;pH;盐;等效荷电密度
【作 者】陈雪方;杨刚;邢卫红;徐南平
【作者单位】南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 210009;南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 210009;南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 210009;南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 210009
【正文语种】中 文 【中图分类】TQ028.8
在电解质体系中，膜的结构及表面化学性质、母液的化学性质及酸碱条件都会对纳滤膜性能产生很大影响［1－2］。由于膜电荷与离子电荷间的静电作用，当纳滤膜接触电解质溶液时所形成的膜面电荷对离子的分离有很大影响。流动电位测定实验说明pH 能改变膜所带的电荷［3－4］;文献［5 －6］通过对纳滤膜动电测量亦证明了2价离子对膜的作用力远远大于单价离子对膜的作用，尤其Mg2+、Ca2+对膜的相互作用，导致膜面Zeta电势和荷电密度由负变为正;文献［7－8］报道只要原料液pH、浓度和溶质类型稍微改变，其截留行为就会发生很大变化。通常纳滤的截留性能用纳滤模型来描述［9－10］，而不同的截留行为不能仅通过传统纳滤模型中道南效应和介电排斥效应来描述，因为传统模型在整个纳滤过程中只将荷电密度视做常量，较少考虑纳滤体系的变化对膜电荷的影响。因此，研究原料液的pH、盐浓度及类型对膜性能影响尤为重要，有利于深入理解纳滤机制和优化纳滤实验过程。
纳滤膜及其应用
纳滤膜及其应用
摘要：纳滤膜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。被用于去除地表水的有机物和色度，脱除地下水的硬度，部分去除溶解性盐，浓缩果汁以及分离药品中的有用物质等。纳滤介于反渗透 和超滤之间由于其截留的颗粒比超滤小些，其透过率比反渗透大些操作压力也不太高近十几年来发展迅速是当前膜分离技术与开发的热门研究课题之一。本文综述了纳滤膜的特性、分离机理、研究现状及其在各方面的应用。
关键词：纳滤；纳滤膜；分离机理；制备方法；应用
1、纳滤及纳滤膜的概述
纳滤（NF）是20世纪80年代中期发展起来的介于超滤和反渗透之间的、同属于压力驱动的新型膜分离技术，适宜于分离相对分子质量在200 Da以上、分子大小约为1 nm的溶解组分，一般认为其截留相对分子质量在200～1 000之间，对NaCl的截留率一般为40%～90%，对二价或高价离子的截留率高达99%。由于操作压力一般小于1.5 MPa，也被称为低压反渗透膜或疏松的反渗透膜。纳滤膜的孔径通常为1～10 nm，同时它是带电荷的，荷电纳滤膜可通过静电斥力排斥溶液中与膜上所带电荷相同的离子，通过静电引力吸附与所带电荷相反的离子。因此，荷电膜对物质的分离性能主要是基于电荷效应和膜的纳米级微孔的筛分效应。它的过滤范围介于反渗透和超滤之间，推动了膜技术及相关应用领域的发展，并已在石化、生化和医药、食品、造纸、纺织印染等领域及水处理过程中得到广泛应用[1]。
纳滤膜的一个很大特征是膜上或者膜中存在带电基团，因此纳滤膜分离具有两个特性,即筛分效应和电荷效应。 分子量大于膜的截留分子量的物质，将被膜截留，反之则透过，这就是膜的筛分效应。 膜的电荷效应又称为Do nnan效应，是指离子与膜所带电荷的静电相互作用。纳滤膜表面分离层可以由聚电解质构成，膜表面带有一定的电荷，大多数纳滤膜带有负电荷。它们通过静电相互作用，阻碍多价离子的渗透，这是纳滤膜在很低压力下仍具有较高脱盐性能的重要原因。纳滤膜的特点主要体现在以下几方面[6]：
纳滤是一种介于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术
纳滤膜分离机理、应用及发展趋势
摘要：综述了纳滤膜的分离机理及其应用研究现状和进展。纳滤膜分离过程是一个不可逆过程,其分离机理可以运用电荷模型和细孔模型,以及近年才提出的静电排斥和立体阻碍模型等来描述。纳滤膜应用研究现状的介绍。
关键词：纳滤；分离机理；应用；发展
1 纳滤膜的概述
纳滤是一种介于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术，截留分子量大约在200～1000范围，孔径约为几纳米，分离对象的粒径约为1 nm。纳滤具有膜技术共同的高效节能的特点，是近来世界各国优先发展的膜技术之一。目前纳滤已在生活用水，工业给水和废水的处理，食品，生化制药等领域得到广泛的应用。
纳滤膜的孔径在纳米级内，其中有些膜对不同价阴离子的Donnan电位有较大差别，其中截留分子量为数百级，对不同价的阴离子有显著的截留差异，可以让进料中部分或绝大部分无机盐通过，并且操作压力低，透过通量较大。这些特点使纳滤在水的软化、有机低分子的分级、有机物的除盐净化等方面，有独特的优点和明显的节能效果。
2 纳滤膜的分离机理
2.1 纳滤膜过程的不可逆过程分析
纳滤膜分离过程与微滤、超滤、反渗透等膜分离过程一样,是一个不可逆过程,膜内传递现象通常用非平衡热力学模型[1]来表征。该模型把膜当作一个“黑匣子”,以压力差为驱动力,产生流体及离子流动。推动力和流动之间的关系可用现象论方程式表示,方程式中的系数被称之为膜的特征参数,包括膜的反射系数、溶质透过系数及纯水透过系数等。其中膜的反射系数相当于溶剂透过通量无限大时的最大截留率。
2.2 电荷模型
电荷模型又可根据对膜内电荷及电势分布情形的不同假设分为空间电荷模型(the Space
Charge Model)[1~4]和固定电荷模型(the Fixed-Charge Model)[1,5,6]。空间电荷模型最早由Osterle等提出,假设膜由孔径均一而且其壁面上电荷均匀分布的微孔组成,微孔内的离子浓度和电场电势分布、离子传递和流体流动分别由Poisson-Boltzmann方程、Nernst-Planck方程和Navier-Stokes方程等来描述。Ruckenstein等[2]运用空间电荷模型进行了电解质溶液渗透过程的溶剂(水)渗透通量、离子截留率及电气粘度的数值计算,讨论了膜的结构参数及电荷密度等影响因素。Anderson等[3]根据空间电荷模型对微孔荷电膜的动电现象进行了较为详细的数值计算,并对根据双电层理论推导出的膜的表面Zeta电位与膜的流动电位关联方程——Helmholtz-Smolu-chowski式的适用范围进行了讨论。Smit等[4]将空间电荷模型与非平衡热力学模型相结合,从理论上描述了反渗透过程中荷电膜膜内离子的传递情形。但是由于运用空间电荷模型时,需要对Pois-son-Boltzmann方程等进行数值求解,其计算工作十分繁重,因此它的应用受到了一定的限制。Tsuru等[5]研究发现将固定电荷模型与Nernst-Planck扩展方程联立可以很好地表征荷电型反渗透膜对单组分和混合电解质溶液体系中各种离子的截留性能。