纳滤膜系统优化设计模式探讨

纳滤膜技术在水处理领域中的规模化应用正在受到广泛关注.而纳滤膜的筛选与膜系统的优化设计是应用过程中首要解决的关键问题之一.由于纳滤膜种类繁多、对溶质截留范围宽、分离机理复杂等多变因素决定了纳滤膜系统应该采用多元化的设计模式,而不是简单模拟反渗透膜系统.选择NF270芳香族聚酰胺材料纳滤膜为例,论述了不同类型的无机盐溶液在不同压力、流量、盐度、温度、pH值等条件下,浓差极化因子对商品化纳滤膜性能的影响;并与反渗透膜性能变化规律和系统设计进行对比,给出了此类纳滤膜在一定盐度进水条件下的合理化设计建议:1)设计压力与进水盐度无关;2)系统回收率与流程长度无关;3)盐的截留率只取决于系统收率.试图为纳滤膜选择及纳滤膜系统设计新模式提供理论依据,并为提出完整的纳滤膜系统设计新模式做出初步的探索.     

大黄素等天然药物的纳滤行为

以NF270纳滤复合膜对几种不同分子量的天然药物(如大黄素、咖啡因)进行了纳滤行为研究,并考察了操作压力、浓度、pH、离子浓度等因素对纳滤膜截留行为的影响.结果表明,NF270纳滤复合膜截留分子量在300左右(例如对相对分子质量为270.23的大黄素几乎100%截留,对相对分子质量较小的咖啡因截留率小于60%);随着pH的增大,纳滤膜对大黄素的截留率稍有下降,对其他三种药物的截留率略有升高;改变溶液的离子浓度,纳滤膜的截留率和通量均下降.选择适宜的操作条件可以实现天然药物的提取、分离和浓缩.     

改性水滑石复合纳滤膜的制备及染料/盐分离性能研究

通过低饱和共沉淀法制备水滑石(LDH),采用反向原子转移自由基聚合(RATRP)法在水滑石片层表面接枝聚对苯乙烯磺酸钠(PSS),制备改性水滑石LDH-PSS,最后采用层层自组装法制备LDH/LDH-PSS复合纳滤膜,并研究复合纳滤膜对染料与二价盐的分离效果以及不同添加量和LDH/LDH-PSS层数对其性能的影响.分析复合纳滤膜对一价盐、二价盐以及活性黑的截留性能和膜的纯水通量,研究复合纳滤膜的分离性能.结果表明,复合纳滤膜的纯水通量随着水滑石和改性水滑石层数的增加而降低,复合纳滤膜的纯水通量最高达到145 L/(m~2·h·MPa).复合纳滤膜对活性黑5的截留率可达96.7%,且对二价无机盐MgSO_4的截留率低至20%以下.     

应用纳滤膜分离糖和盐的实验研究

选择NF-45纳滤膜进行糖和盐单组分和混合体系的分离实验研究,考察了纳滤膜分离性能随着操作压力、循环流量及料液浓度的变化所受到的影响。讨论了葡萄糖-氯化钠、蔗糖-氯化纳混合体系中糖和盐的相互影响作用,认为可以运用NF-45纳滤膜在适宜的操作条件（如操作压力、料液浓度）实现糖和盐的较好分离。     

可应用于重金属废水处理的纳滤技术

纳滤膜对单价和多价离子具有选择分离性能。实验研究了纳滤膜的截留性能随测试溶液的浓度、温度、pH值和操作压力等纳滤操作条件的变化规律。考察了纳滤膜对重金属离子的截留情况，实验表明纳滤膜能够截留大部分重金属离子。     

聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯/聚砜中空纤维纳滤复合膜的研究

以聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯(PDMAEMA)为表层材料,以对二氯苄为交联剂,聚砜(PSF)中空纤维超滤膜为基膜,通过界面聚合反应(季铵化反应)制备了荷正电中空纤维复合纳滤膜.研究了基膜、PDMAEMA、交联剂、溶剂、催化剂等和制膜工艺对复合纳滤膜截留性能的影响,从中总结出以聚电解质为交联预聚体制备复合纳滤膜的基本规律.首先用本体聚合的方法制备了PDMAEMA,采用中空纤维超滤技术精制PDMAEMA水溶液.PDMAEMA水溶液具有浓度、外加盐和pH的响应性.其凝胶层也表现出相同的特点.研究了以聚砜(PSF)平板膜为基膜时,PDMAEMA复合纳滤膜的制备条件.研究结果如下:此界面聚合反应在有机相中进行;较优的制备条件为:PDMAEMA浓度为2wt%,对二氯苄浓度为1%～1.5%(wt),应加入少量的NaHCO3来维持溶液的微碱性,室温下反应即可进行,反应时间为5h.另外,用辐照交联的方法制备了PDMAEMA平板型复合纳滤膜,所制备的纳滤膜对2g/LMgSO4的截留率为50%左右.中空纤维外压复合纳滤膜的制备实验包括以下内容:进行了中空纤维外压纳滤膜的基膜选择,研究了基膜对聚合物溶液的吸附行为;确定PDMAEMA涂层液的最佳浓度为0.75wt%;在PDMAEMA水溶液中加入0.148mol/L NaHCO3能提高纳滤膜对二价盐的截留率,但对通量的提高不大;往PDMAEMA水溶液中加入5%(v/v)乙醇能得到高通量、高脱盐率的中空纤维纳滤膜,对MgSO4的截留率≥98%,水通量可达19.5L/(m2·h)(内压膜),水通量≥20L/(m2·h)(外压膜);加入催化剂碘化钾(KI)使反应时间缩短为3.5h.荷正电的PDMAEMA中空纤维纳滤膜对无机盐的截留率顺序为:MgSO4＞MgCl2＞NaCl＞KCl＞KI,对阳离子的截留顺序为:Mg2 ＞Na ＞K ,对阴离子的截留顺序为:Cl-＞Br-＞I-.对蔗糖的截留率＞60%,对D-甘露糖的截留率为37.4%(外压膜)和32.2%(内压膜),并能有效软化自来水.对分子量大于300的小分子荷正电染料的截留率＞50%.纳滤操作条件影响纳滤膜对无机盐的截留性能.无机盐的浓度上升,纳滤膜的截留率和通量都略有下降;纳滤膜对无机盐的截留率和水通量随着操作压力的增大而增加.PDMAEMA复合纳滤膜表现出温度敏感性和pH敏感性.制备了PDMAEMA中空纤维内压纳滤膜,确定PDMAEMA溶液的浓度为0.75wt%,内压纳滤膜对无机盐的截留率和通量的变化与压力的关系符合高斯曲线.实验测试了PDMAEMA复合纳滤膜的耐溶剂性,所用溶剂为纯水,0.5mol/L HCl,0.5mol/L NaOH和30%H2O2(wt%).实验表明:PDMAEMA复合纳滤膜的杀菌性、耐碱性和耐氧化性较好,但不适于在酸性介质中保存和使用.     

纳滤技术分离谷氨酸和盐混合液的研究

考察了五种纳滤膜在高盐浓度下对溶液的脱盐性能,选择NF270进一步考察了pH值、氯化钠浓度、膜通量、搅拌速度对纳滤膜分离性能的影响.实验结果表明,虽然高盐浓度对膜表面的电荷屏蔽作用严重,但随着pH值的增加,NF270对谷氨酸的截留率增加,膜的分离选择性也同时增加,而跨膜压力随着pH值的增加而减小.在选择合适的膜通量和搅拌速度时,NF270对谷氨酸的截留率达到95.0%,膜的分离选择性达到18.8,可以实现高盐浓度下谷氨酸溶液的脱盐.     

PSS／PAH聚电解质复合纳滤膜制备及其性能研究

采用LbL法在多孔PES基膜上制备了PSS／PAH聚电解质复合纳滤膜，利用SEM研究了复合膜的表面形貌，使用ATR-IR研究了复合膜在PES基膜上的生长规律，并研究了双层膜层数和组装时间对其离子截留性能的影响．研究表明，所制复合纳滤膜对不同的盐溶液的离子截留性能差异显著．如[PSS／PAH]5膜对1000mg／L的MgSO4溶液的截留率可达90％，但对1000mg／L的NaCl溶液的截留率仅为33％，故可应用于水溶液中一、二价离子的分离。     

纯水体系下纳滤膜分离过程热力学问题研究

采用NF270和GE DK纳滤膜,在不同压力、温度和pH条件进行纯水过滤试验,以测定不同条件下两种纳滤膜的膜通量,并研究不同条件下的纳滤膜渗透系数变化规律;构建纳滤膜渗透系数与热力学参数之间的关系式,计算两种纳滤膜的热力学参数,分析两种纳滤膜分离过程热力学原理.结果表明:两种纳滤膜的膜通量随着温度和压力的增加而增大,两种纳滤膜的渗透系数随着温度升高而增大,并随着压力和pH的变化呈现小幅波动;GE DK纳滤膜的活化能高于NF 270纳滤膜的活化能,分别为16.56kJ/mol和14.22kJ/mol.由此可知,在分离过程中GE DK纳滤膜比NF 270纳滤膜需更高的运行压力.     

对乳清的超滤渗透液进行纳滤脱盐的试验研究

采取超滤膜对乳清进行预处理,研究了不同操作条件下NF270纳滤膜的通量衰减规律以及对乳清中盐和乳糖的分离效果.结果表明:压力由0.4 MPa增加到0.6 MPa时,纳滤膜稳定通量增大,膜通量衰减加重.纳滤膜的盐截留率先下降后上升,乳糖透过率略有增加,增加压力有利于乳糖和盐之间的分离;当压力为0.6 MPa,转速为418.6r/min,在蛋白质的等电点pH值为4.8时,纳滤膜通量小且膜污染最为严重,此时盐截留率最低;pH值为3时所对应的膜通量与料液呈中性时相比,乳清通量增加,且通量衰减幅度小,此时盐截留率为30％,乳糖透过率达80％,因此酸性条件有利于提高通量及乳糖和盐之间的分离效果;提高膜表面的湍动程度时,膜通量增加且膜污染减弱,相应的纳滤膜的盐截留率较小,而对乳糖的透过率影响不明显.     

荷电膜表面电性能对截留性能的影响

研究了流动电位和Zeta电位与无机盐溶液的浓度及测试压力的关系,以及随操作压力、无机盐溶液种类和浓度等因素的变化荷电膜对无机盐溶液截留性能的影响.结果表明,荷电膜由于离子吸附而带有负电荷,在低浓度溶液中荷电膜的表面电学性能对膜的截留性能有重要影响,而在高浓度溶液中荷电膜电性能的影响不大.     

戊二醛-硫酸混合交联壳聚糖/聚砜复合纳滤膜的结构与性能

以聚砜超滤膜(截留分子量10 000)为基膜,壳聚糖乙酸溶液为铸膜液,使用相转化法制备了戊二醛-硫酸混合交联壳聚糖/聚砜复合纳滤膜,并研究了壳聚糖浓度、戊二醛-硫酸混合交联剂等因素对该膜分离效果的影响.在操作压力1.6 MPa、流量30 L/h、20℃条件下,测得纯水通量为12.84 L/(m2.h),对2 000 mg/L的NaCl、MgCl2、Na2SO4和MgSO4的截留率分别为6.6%,94.5%,34%和80.4%,水通量依次为6.93,11.92,6.95和6.73 L/(m2.h);对分子量不低于280的有机物截留率高于90%;对0.01～0.1 mol/L KCl溶液在0.1～0.7 MPa下测定膜的流动电位为60～6 mV/MPa.电解质离子分离机理取决于膜与电解质离子之间的电荷作用.     

涂层法制备聚醚砜中空纤维纳滤膜及应用

以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为内涂层制备了聚醚砜中空纤维纳滤膜,研究了溶剂、SPEEK磺化度、浓度及后处理温度等参数对膜性能的影响.结果表明,以SPEEK(磺化度0.55)的1%甲醇溶液为涂层溶液,经过30℃后处理6h制得纳滤膜具有较高的通量和离子选择性.其应用于含盐染料废水分离.结果显示,该膜完全截留小分子染料,但是透过单价盐类.该膜为单价/多价盐离子的分离和含盐染料废水的处理提供了一种新的可能性.     

膜法染料废水处理试验研究

采用醋酸纤维素纳滤膜,对染料厂提供的高盐度、高色度、高CODCr的染料废水进行了处理试验研究。在纳滤膜对废水中染料的截留性能、废水中无机盐（NaCl）的透过性能、纳滤膜 对染料废水中不同分子量的有机物的截留性能、以及膜对染料废水的色度和CODCr的去除性能等方面作了详细的研究和讨论。初步的研究结果表明,纳滤膜技术能有效截留废水中的染料的有机物,而废水的无机盐则几乎100％透过膜,膜对废水的色度和CODCr的去除效果亦较佳,膜技术可有效实现对高盐度、高色度、CODCr的染料废水的处理。     

不同纳滤膜对苯酚的截留效果及其影响因素研究

以浓度<1 g/L的苯酚水溶液来模拟低浓度含酚废水,采用Alfa Laval Nakskov A/S错流式平板膜装置Lab Unit M20,比较了NF90、NF97、NF99、NF99HF 4种商业纳滤膜对苯酚的截留效果,结果表明:相同操作条件下NF97性能最好,25℃,3.0 MPa时对苯酚的截留率为79%.研究中亦考查了膜面流速(0.39～0.96 m/s)、温度(20～40℃)、压力(0.5～3.0MPa)、pH(3～11)、模拟废水的苯酚浓度(0.01～1 g/L)、盐浓度(1～3 g/L)对苯酚截留率的影响.结果表明:温度升高,苯酚截留率下降;压力增大可提高对苯酚的截留率,压力达到3.0MPa后,苯酚截留率随压力的变化已趋于平缓;pH值对纳滤膜截留能力的影响显著,在pH11时,NF90、NF97、NF99、NF99HF对苯酚的截留率分别为90%、97%、82%、75%;膜面流速对4种纳滤膜苯酚截留率的影响较小.对于低浓度含酚废水,可以考虑利用纳滤膜浓缩后,再用传统的萃取工艺处理,以实现低浓度含酚废水的综合利用,酚类物质有效回收,减小环境负荷.常温,膜面流速0.6 m/s,压力3.0 MPa,可以作为NF97纳滤膜浓缩低浓度含酚废水的参考工艺条件.     

膜错流过滤对透明质酸发酵液的分级研究

膜错流过滤可实现混合液中物质的分级,在生物工程领域有着广泛的应用,其过滤特性与水力条件及溶液性质有密切关系.分别采用0.45μm、0.20μm微滤膜和截留分子量3000、100000超滤膜,对其错流过滤透明质酸发酵液的特性参数进行了研究.超滤膜在稳态时的通量大于微滤膜稳态时的通量,微滤膜、超滤膜的最佳操作压力分别为0.1 MPa,0.15 MPa,最佳流速应为1.25 m/s,透明质酸浓度以2 g/L以下为宜.在pH=4,增加的离子强度为0.2~0.25 mol/L NaCl时,微滤膜对透明质酸有85%的透过率,且通量增大,而菌体被完全截留;超滤膜在pH=7,增加的离子强度为0.2~0.25 mol/L NaCl时,蛋白质对透明质酸有很高的筛分系数,透明质酸被选择性截留.研究表明,微滤和超滤相结合可实现发酵液中透明质酸分离.关键词:微滤;超滤;错流过滤;透明质酸;发酵液;分级     

纤维素/壳聚糖共混纳滤膜的制备及其染料脱盐性能研究

纤维素因其优良的机械性能、亲水性和成膜性而成功地应用于纳滤膜制备.但纯纤维素纳滤膜表面呈负电性,对低分子量水溶性染料和Na_2SO_4均具有高的截留率,不利于染料中Na_2SO_4的脱除.将荷正电的壳聚糖和纤维素共混,以离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(EMIMAc)和二甲基亚砜DMSO为溶剂,水为凝固浴,无纺布为支撑层,采用相转化法,成功制备了纤维素/壳聚糖共混弱正电纳滤膜.结果表明,当纤维素和壳聚糖质量比为1∶1时,制备的共混纳滤膜分离性能最优.该膜在0.5MPa的错流条件下,对直接染料的截留率较高,如刚果红的截留率为99.99%;对活性染料(活性黑5、活性蓝19)的截留率也可达到80%~90%;而膜对无机盐截留率均较低,NaCl和Na_2SO_4的截留率分别在10%和1%以下.上述研究结果表明,该膜可实现染料和盐的高效分离.     

基于有机溶剂的中空纤维纳滤膜微结构调控

聚酰胺分离层的微结构调控是制备高性能纳滤膜的关键.通过改变溶剂类型调控水相单体在反应界面的溶解和扩散能力,进而改变界面聚合反应进程,获得了具有相对疏松的粗糙三维图案化分离层结构.结果表明,疏松的分离层赋予纳滤膜较高的单/二价盐选择性,对Na_2SO_4和NaCl的截留率分别为94.8%和17.6%;粗糙的膜表面显著提升了水接触面积,对Na_2SO_4水溶液的水通量达到42.6 L/(m~2·h),为具有常规表面形貌膜的3倍.     

可溶性聚酰亚胺膜的制备及其纳滤分离特性研究

聚酰亚胺具有优良的综合性能,本研究从二胺单体设计出发,制备了一种可溶性聚酰亚胺膜材料,并通过相转化等简易手段成功制备了聚酰亚胺纳滤膜.通过红外光谱等手段验证了聚酰亚胺膜材料的分子结构,膜材料既可以耐受常见的有机溶剂,也可以溶解在NMP等常见制膜溶剂中.制备的纳滤膜呈典型的非对称结构,可以有效地实现一价盐和二价盐分离,对相对分子质量为1 017的RB染料分子截留率高于92%.对相对分子质量为843的螺旋霉素的截留率高于92%.随着PEG分子量的增加,膜的截留率增加.对于不同的分离体系,膜的通量在10~34L/(m~2·h)之间.     

纳滤处理模拟电镀废水

分别以硫酸铜、氯化铜、硝酸铜溶液为模拟电镀废水进行了纳滤实验,所采用纳滤膜为Osmonics的DK、DL膜和日东电工的NTR-7450膜.实验表明,三种膜通量大小顺序为DL>DK>NTR-7450,随原料液浓度的增大膜通量降低,而膜对铜离子的截留率有升高的趋势;纳滤膜对各盐的截留率大小排序为硫酸盐>氯盐>硝酸盐.实验还考察了添加其它离子对纳滤膜通量和截留率的影响.结果表明,加入CaCl2后,对DL膜性能影响不显著;加入Na2SO4后,DL膜的通量变化不明显,截留率略有升高;加入EDTA能明显提高DL膜通量和对铜离子的截留率.