納濾特性及分離過程精

1、納濾膜分離特性及使用和維護(hù)一，納濾膜分離技術(shù)的特點(diǎn)20世紀(jì)80年代末期，隨著新的制膜方法（如界面聚合法）的出現(xiàn)和制膜工藝的不斷改 進(jìn)，一批新型復(fù)合膜（如疏松型反滲透膜和致密型超濾膜）得以問世，并受到人們的極大關(guān)注，現(xiàn)在人們習(xí)慣上將該類膜稱為納濾膜。納濾膜分離過程無任何化學(xué)反應(yīng)，無需加熱，無 相轉(zhuǎn)變，不會(huì)破壞生物活性，不會(huì)改變風(fēng)味，香味，因而被越來越廣泛地應(yīng)用于超純水的制備，食品，醫(yī)藥等行業(yè)中的各種分離和濃縮過程。作為一種新型分離技術(shù)，納濾膜在其分離應(yīng)用中表現(xiàn)出下列兩個(gè)顯著特征：一個(gè)是其截留分子量介于反滲透和超濾膜之間，為2002000。故推測(cè)表面分離層可能擁有1nm左右的微孔結(jié)構(gòu)，所以稱之為“

2、納濾”；另一個(gè)是納濾膜對(duì)無機(jī)鹽有一定的截留率，因?yàn)樗谋?面分離層由聚電解質(zhì)所構(gòu)成， 對(duì)離子有靜電相互作用。從結(jié)構(gòu)上來看納濾膜大多是復(fù)合型膜， 由表面分離層和它的支撐層組成，兩者的化學(xué)組分不同。二.納濾膜的分離機(jī)理納濾膜對(duì)無機(jī)離子的去除介于反滲透膜和超濾膜之間，它對(duì)不同的無機(jī)離子有不同的分離特性，分離規(guī)律：1）對(duì)于以下陰離子，截留率依次升高：N03- ,CL-, OH-, SO42-, CO32-2） 對(duì)于以下陽離子，截留率依次升高：H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cu2+3）1價(jià)離子滲透，多價(jià)離子截留.納濾膜對(duì)無機(jī)鹽的截留可以用Donnan平衡模來解釋：將納濾膜置于含鹽溶劑

3、中時(shí)，溶液中反離子（所帶電荷與膜內(nèi)固定電荷相反的離子）在膜內(nèi)濃度大于其在主體溶液中的濃度，而同名離子在膜內(nèi)的濃度則低于其在主體溶液中的濃度.由此阻止了同名離子從主體溶液向膜內(nèi)的擴(kuò)散，為了保持電中性，反離子也被膜截留.納濾膜中荷電基團(tuán)大多為帶負(fù)電的磺酸 根及羧酸根。納濾膜的分離溶質(zhì)的機(jī)理與反滲透膜是一樣的，通過反滲透的方式進(jìn)行分離：如圖所示以一選擇性透過溶劑水的膜將兩溶液隔開，左邊為純?nèi)軇┧ˋ）,右邊為含溶質(zhì)的稀溶液（B）,開始時(shí)兩邊液面等高，即兩邊等壓，等溫。則純水將透過膜向含溶質(zhì)的稀溶液側(cè)移 動(dòng)，則B溶液的液面將不斷升高，這一現(xiàn)象稱為滲透。待純水的滲透過程達(dá)到定態(tài)后，溶 液B的液位升高h(yuǎn)不

4、再變動(dòng)，p gh即表示B溶液的滲透壓口，滲透壓也可表示為口= CbRT（Cb為溶質(zhì)在溶液中的摩爾濃度）從這可以看出滲透壓與溶質(zhì)的濃度是成正比關(guān)系的。若 在右邊加一個(gè)大于滲透壓的靜壓力卩，使厶p > n則純水從右邊向左邊滲透，此稱為反滲透。這樣就可利用反滲透現(xiàn)象截留溶質(zhì)而獲得純水，從而達(dá)到混合物分離的目的。因此進(jìn)行反滲透的二個(gè)必要條件是：1,選擇性透過溶劑的膜。2,膜兩邊的靜壓差必須大于其滲透壓差。在實(shí)際反滲透過程中膜兩邊靜壓差還必須克服膜的阻力。滲透平衡反滲透濃縮三.影響納濾膜速率主要因素（1）膜的性能 主要表現(xiàn)為溶劑透過系數(shù) A和溶質(zhì)透過系數(shù) B的大小。顯然，對(duì)膜分離過程希望A值大而B

5、值小。因此，膜的材料及制膜工藝是影響膜分離速率的主要因素。（2） 混合液的濃縮程度濃縮程度高，膜兩側(cè)濃度差大，滲透壓差相應(yīng)的也就大。 從而使得有效推動(dòng)力 P降低而使溶劑的透過通量減少。而且料液濃度高易于引起膜的污染。（3）濃差極化 如圖納濾過程中，大部分溶質(zhì)在膜表面截留，從而在膜的一側(cè)形成溶X1X3質(zhì)的高濃區(qū)。當(dāng)過程達(dá)到定態(tài)時(shí)，料液側(cè)膜表面溶液的濃度 X3顯著高于主體溶液濃度 X1。這一現(xiàn)象稱為濃差極化。近膜處溶質(zhì)的濃度邊界層中，溶質(zhì)將反向擴(kuò)散進(jìn)入料液主體。由于存在濃差極化使膜面X3增高。加大了滲透壓在一定壓差 P下使溶劑的透過速率下降。同時(shí)X3高使溶質(zhì)的透過速率提高，即截留率下降。由此可知，

6、在一定的截留率下由于濃差極化的存在使透過速率受到 限制。此外，膜面含量 X3升高，可能導(dǎo)致溶質(zhì)的沉淀，額外增加了膜的透過阻力。因此， 濃差極化是納濾過程中的一個(gè)不利操作因素。減輕濃差極化的根本途徑是提高傳質(zhì)系婁。通常采用的方法是提高料液的流速和在流道中加入內(nèi)插件以增加湍流程度。也可以在料液的定態(tài)流動(dòng)基礎(chǔ)上人加上一個(gè)脈沖流動(dòng)。此外，可以在管狀組件內(nèi)放入玻璃小珠，它在流動(dòng)時(shí)呈流化狀態(tài)，玻璃小珠不斷撞擊膜壁從而使傳質(zhì)系數(shù)大為增加。四納濾膜組件及其使用方式納濾膜組件主要形式有卷式，中空纖維式，管式及板框式等。卷式，中空纖維式膜組件由于膜的充填密度大，單位體積膜組件的處理量大，而常用于水的脫鹽軟化處理過

7、程。而對(duì)含懸浮物，粘度較高的溶液則主要采用管式及板框式膜組件。工業(yè)上應(yīng)用最多的是卷式膜組件，它占據(jù)了絕大多數(shù)陸地水脫鹽和超純水制備市場(chǎng)。為了使膜裝置得到較高的回收率常常多個(gè)膜元件（26個(gè)）串聯(lián)起來放置在一個(gè)壓力容器中。膜組件的使用方式（如下圖）有簡單的單段式，多段式以及部分循環(huán)式。單段式適于 處理量較小回收率要求不高的場(chǎng)合，部分循環(huán)式適于處理理較小并對(duì)回收率有要求的場(chǎng)合， 而多段式處理量較大并可達(dá)到較高的回收率。原液部分循環(huán)式為了運(yùn)用納濾技術(shù)實(shí)現(xiàn)大分子與低分子溶質(zhì)的有效分離（在生物技術(shù)或制藥和藥和食品工業(yè)中經(jīng)常遇到這種問題），常常將截留物用溶劑（水）稀釋而將低分子溶質(zhì)沖走，這種操 作被為透濾（

8、稀釋）法，如圖，透濾操作是為了達(dá)到更好的分離和凈化效果而采用的一種操 作方法加入水 濃縮液透過液原液五納濾膜分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)1）操作壓力操作壓力越高，透過膜的水通量越大，但是高壓下導(dǎo)致膜的致密化會(huì)使得水通量降低。曰.定，通常膜系統(tǒng)有兩種操作方式，即恒定壓力操作法和恒定通量操作法。前者保持操作壓力一定，當(dāng)操作壓膜的水通量隨著膜面污染而減少，導(dǎo)致實(shí)際處理量的降低：后者為了保持膜的水通量 伴隨膜面污穢不斷升高操作壓力，而不斷升高的操作壓力則可能導(dǎo)致膜的致密化。力達(dá)到所定值時(shí)，需要對(duì)膜進(jìn)行清洗。反映料液在膜組件內(nèi)流膜裝置進(jìn)出口的壓力差變化直接反映了膜組件內(nèi)部的流動(dòng)狀況， 動(dòng)是否均勻。2）操作溫

9、度溫度對(duì)透過膜的水通量影響較大，有關(guān)研究說明膜的純水滲透系數(shù)與水的粘度的乘積不隨溫度改變而變化。為了正確評(píng)價(jià)膜性能必須選擇某個(gè)溫度作為基準(zhǔn)，根據(jù)粘度隨溫度的變化規(guī)律，推測(cè)出 25C附近水溫每升高 1C，水通量增加 2.5%。但是必須注意的是，溫度過 高則可能導(dǎo)致膜的致密化。3）操作流量膜分離系統(tǒng)需根據(jù)膜組件內(nèi)部膜與膜之間的間距確定適宜的操作流量。例如某卷式膜組件內(nèi)膜間距為0.07cm，膜面流速可控制在 812cm/s。提高膜面流速有利于抑制膜面的濃差 極度化，但同時(shí)增大了膜組件進(jìn)出口的壓力差使得膜的有效操作壓力降低。六納濾膜的污染和劣化以及相應(yīng)的處理方法1）膜的污染和劣化膜的污染和劣化的分類納

10、濾膜組件的分離性能可能會(huì)因?yàn)槟さ奈廴净蛄踊兓?，及其產(chǎn)生原因列于下表滲透壓濾餅層：懸浮物附著層一膜組件的性能變化污染一凝膠層：水溶性大分子 結(jié)垢層：難溶性物質(zhì) 吸附層：水溶性大分子孔堵塞空間位阻：懸浮物，水溶性性分子 表面吸附：水溶性分子 析岀：難溶性物質(zhì)劣化一化學(xué)性劣化：水解，氧化反應(yīng) 物理性劣化：高壓致密，干燥 微生物劣化：生物降解膜反應(yīng)化學(xué)性劣化膜的劣化是指膜自身發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化等內(nèi)部因素導(dǎo)致了膜性能變化。的主要原因是發(fā)生了水解和氧化反應(yīng)，這兩種反應(yīng)最終導(dǎo)致的結(jié)果是膜透過流速增加，截留率下降。物理性劣化主要是膜的致密化和干燥，最終導(dǎo)致膜透過流速下降，截留率增大。微生物劣化主要指

11、微生物在膜組件中利用有機(jī)物繁殖，生成活污泥，與不溶性物質(zhì)一樣造成膜污染，導(dǎo)致膜透過流速下降，截留率增大；以及生物本身利用膜的生物降解反應(yīng)，結(jié)果是膜透過流速增加，截留率下降。膜的污染是指由于在膜表面上形成了濾餅，凝膠及結(jié)垢等附著層或膜孔堵塞等外部因素導(dǎo)致了膜性能變化。其具體表現(xiàn)為膜的透過流速顯著減少，而膜的截留率隨著濾餅層，凝膠層及結(jié)垢層等附著層的形成有兩種變化趨勢(shì)，即附著層的存在對(duì)溶質(zhì)具有截留作用使截留率增高，同時(shí)可導(dǎo)致膜表面附近的濃差極化使表觀截留率降低。上述情形與溶質(zhì)或附著層的類型密切相關(guān)。一般而言凝膠層具有較強(qiáng)的溶質(zhì)截留作用使用截留率增高，而濾餅層或結(jié)垢層具有較弱的溶質(zhì)截留作用，將導(dǎo)致膜

12、表面附近的濃差極化現(xiàn)象嚴(yán)重使表觀截留率降低。另外滲透壓也會(huì)導(dǎo)致膜的透過流速減少，但對(duì)溶質(zhì)的截留率沒有影響。膜表面形成的吸附層對(duì)膜截留率變化的影響是膜透過流速下降，截留率增大。2）納濾膜分離系統(tǒng)的維護(hù)為了保證系統(tǒng)操作性能穩(wěn)定，首先要做好預(yù)處理工序的操作管理。納濾膜分離系統(tǒng)本來最基本的目的是分離溶質(zhì)， 而不是分離懸浮物， 因此，預(yù)處理工序必須盡可能地去除這此懸 浮物質(zhì)。其次保持膜裝置的操作條件如壓力，溫度，流量等處于最佳狀態(tài)。（1） 膜污染防治和清洗方法引起膜污染的物質(zhì)可以分為3類。第一類是溶解度較低的無機(jī)鹽，如 CaCO3,CaSO4,BaCO3等。第二類是膠體和溶解性有機(jī)物，如硅酸，氫氧化鐵等

13、無機(jī)膠體， 蛋白質(zhì)，絮凝劑，天然高分子等有機(jī)膠體，膜自身生物降解產(chǎn)物以及容易在膜面附著的溶解性有機(jī)物。第三是微生物，如污泥等。一般來說，采用絮凝沉降，過濾分離可以去除原水中的懸浮物，部分膠體，溶解性有機(jī) 物和部分微生物。但是有些絮凝劑會(huì)助長膜污染，因此必須根據(jù)原水水質(zhì)和采用的膜組件類型來選擇絮凝劑。防止 CaCO3,CaSO4,BaCO3等無機(jī)鹽在膜面沉淀，結(jié)垢的主要辦法是添加 阻垢劑，如六偏磷酸鈉，有機(jī)高分子電解質(zhì)等螯合劑。防止生物污泥在膜面附著的有效辦法 是通氯處理，紫外線照射等殺菌法。膜組件清洗方法主要分為物理清洗和化學(xué)清洗兩大類。物理清洗法有變流速?zèng)_洗法（脈沖，逆向及反向流動(dòng)），海綿球

14、清洗法，超聲波法，熱水及空氣和水混合沖洗法等?；瘜W(xué)清 洗所采用的藥劑可分為氧化劑（NaOCL, 12，H2O2，O3），還原劑（HCHO ）,螯合劑（EDTA，SHMP），酸（HNO3, H3PO4, HCL，H2SO4,草酸，檸檬酸），堿（NaOH，NH4OH），有機(jī) 溶劑（乙酸），表面活性劑及酵母清洗劑等。針對(duì)不同污染物所采用的清洗方法列出下表膜面污染物質(zhì)關(guān)聯(lián)清洗方法有機(jī)SS軟質(zhì)垢AL（ OH）3，F(xiàn)e（ OH）3，Mn （OH） 3硬質(zhì)垢CaCO3, CaSO4, MgSO4，MgCO3，BaSO4微生物水洗（熱水，脈沖，空氣-水混全物） 酸洗（HCL，H2SO4,草酸，檸檬酸）堿洗 （NaOH，NH4OH，NaCO3）化學(xué)藥劑 （EDTA，NaBO2，表面活性劑） 酵母清洗劑機(jī)械清洗當(dāng)膜組件出現(xiàn)污染時(shí)，對(duì)吸附力弱的污染物可采用水沖洗方法就能有效地達(dá)到洗凈目的。而對(duì)吸附較強(qiáng)的污染物需要進(jìn)行化學(xué)清洗。一般出現(xiàn)以下三種情形前就因?qū)δそM件進(jìn)行清洗：1，鹽的透過率增大1倍或系統(tǒng)已經(jīng)無法繼續(xù)運(yùn)行； 2，較短時(shí)間內(nèi)濃縮水或透過水流量的變化超過 10%； 3，膜組件供水側(cè)進(jìn)出口的壓力差增大1 倍。（ 2） 膜劣化恢復(fù)方法 膜的劣化即膜材質(zhì)，膜結(jié)構(gòu)的變化引起的膜性能下降則需要根據(jù)具體情形提出相應(yīng)對(duì) 策。例如， 引起膜的透過通量增大截留率降低的原因可能是