低压、耐污纳滤膜分离技术现状及展望

低压、耐污纳滤膜分离技术现状及展望

朱轶宁

身份证号：320203198701121819

摘要：纳滤膜属于新兴过滤分离技术，在生产生活中有着广泛应用。但在实际进行应用时，存在耐污染性能较差以及跨膜压力过高等方面问题，需要进行优化和完善。文章将通过对纳滤以及纳滤膜的基本情况介绍，对低压、耐污纳滤膜分离技术现状以及展望等相关内容展开深度性探讨，旨在提高纳滤膜分离技术应用水平，实现理想化纳滤膜分离技术应用模式。

关键词：纳滤；纳滤膜分离技术；纳滤膜污染；分离机制；跨膜压力

纳滤膜分离技术具有分离效果理想以及无化学副作用等方面的优势，在食品加工以及环境保护等领域中有着广泛应用。就目前的技术应用情况来看，技术主要应用以水处理领域为主，工业流程再造以及节能减排等要求的提出，使得纳滤膜分离技术应用需求量呈现出明显增加的趋势，对膜产业发展形成了有效推动。在此环境中，需要做好分离技术应用研究，通过不断对技术应用问题进行优化与改进的方式，达到最优化分离技术应用效果，确保其能够在各领域应用中发挥出更大的作用。

一、纳滤以及纳滤膜介绍

（一）纳滤

从上世纪70年代末开始，技术人员正式开始对纳滤进行研究。在80年代中期，纳滤膜组件开始用于工业化，并在多领域中得到应用。美国一公司根据膜相对分子质量以及膜孔径尺寸特征，将此种膜技术称为纳滤，并沿用至今。

纳滤膜具备的特点主要体现在以下三个方面：①截留相对分子质量为200到1千，与超过200的分离相对分子质量相匹配，能够实现对低分子有机物以及多价盐的有效截流；②操作压力相对较低，分离需要跨膜压差一般在0.5到2 MPa之间，小于相同渗透通量所需要施加的压差，被称为低压反渗透；③离子选择性特点较为明显。在膜中或者膜上位置带有荷电基团，能够在静电相互作用之下产生Donnan反应，可以对不同价态离子多元体系溶液进行不同价态离子分离处理，其对于单价盐截留率在百分之10到80%左右，渗透性相对较高，而一般的多价盐或者二价盐的截留率，能够超过90%。

（二）纳滤膜污染

纳滤膜在使用过程中，会因为膜和被分离溶质之间相互作用，或者因为膜表面浓度高于溶解度，可能会导致膜孔或膜表面出现沉积或吸附问题，造成相应污染。纳滤膜污染机理相对较为复杂，和溶质与膜之间以及溶质和溶质之间的相互作用机理有着密切关联。较为常见的膜污染形式，主要有无机污染以及有机污染等多种类型。

无机污染主要是因为化学沉降作用影响所产生的，可运用膜面堵塞以及过滤饼形成两种机理进行解释分析。卷式纳滤膜滤饼层形成，主要是因为膜通量下降所造成的，同时膜面堵塞也是造成通量下降的重要原因之一。管式膜主要以膜面堵塞问题为主，而平板膜主要由膜面堵塞和滤饼层形成两种原因共同作用而成的。

有机污染主要以膜特性影响为主，表面电荷以及粗糙度等都可能会造成相应的污染问题。在对膜进行淋污水处理过程中发现，十二烷酸等脂肪酸两性有机物，是造成膜污染的主要有机物质。由于此种有机物质属于阴离子表面活性剂，会因为色散力以及氢健作用等影响，吸附在聚酰胺纳滤膜表面。同时憎水作用之下的有机物也会快速聚集在膜表面，会因为浓差极化作用，导致膜表面依附问题，进而出现有机物污染。

二、纳滤膜分离技术

在上世纪60年代之后，膜分离技术开始得到应用，所具备的操作简单以及分离效果理想等优势也逐渐显现了出来。根据我国国务院所发布的水污染防治行动计划内容，我国目前已经对工业污染防治以及城镇生活污染治理等各项工作提出明确要求，而膜分离技术的应用，在水处理领域中有着较为喜人的应用效果，为膜产业的整体发展也获得了巨大的动力与支持。该项技术会利用膜材料选择性分离特点，通过对滤料不同成分进行分离以及纯化等处理的方式，完成相应分离任务。根据被分离物质粒径大小，分离膜可分为反渗透膜以及微滤膜等。纳滤膜是以反渗透膜为基础，发展得到的压力驱动型不可逆膜分离技术，属于反渗透和超滤之间范畴，膜孔半径为0.5到2nm，在色度去除以及硬水软化等处理中有着高质量应用。

纳滤膜材料主要分为有机以及无机两种，其中有机膜主要材料为高分子聚合物，包括聚丙烯类以及聚苯醚类等物质，具有价格低廉以及稳定性理想等方面优势，多孔聚合物会利用自身分子结构特点，达到让溶剂自由通过的目标，并会对分子量大于空间体积溶质进行截留。陶瓷类材料是较为常见的无机膜材料，和有机膜相比，在耐高温以及耐酸碱性能方面更加突出，清洗难度相对较低。

虽然我国纳滤膜技术研究以及材料应用已经达到一定水平，但因为滤膜材料存在功能差异小以及同质化严重等方面问题，不同物料在进行分离时，相应分离机理差异也相差较大，在不同物料分离过程中，同质化膜材料会遇到污染快以及效率低等方面的状况，所以为解决过滤效率过低以及分离能力不达标等方面的问题，还需要进行技术优化。就今后的纳滤膜高性能目标而言，增强耐污分离能力、提升通水量，降低跨膜压力将成为重点研究内容。

三、低压、耐污纳滤膜分离技术现状及展望

（一）分离能力

1.分离机制

纳滤膜分离技术具备明显的选择性以及渗透性特点，其中选择性和膜分离效果有密切关联，渗透性直接表示膜的分离速率。膜分离过程和膜分离能力有着密切关联，在进行纳滤膜分离过程中，会涉及多个过程，需要运用孔径筛分效应，对不同分子量大小物质实施筛分处理，并需要根据膜本身所带电荷对应带电性能物质进行分离操作。可以根据溶质的扩散性能以及溶解情况，科学展开截留分离处理。

可通过建模方式对纳滤膜分离机里进行深度解读，较为常见的建设模型有系统模型以及非平衡热力模型等。其中，非平衡热力模型是按照s-k公式，通过对溶剂和驱动力之间通量耦合关系进行描述的方式，展开物质截留模型建设，进而完成相应结果估算。由于此种公式并没有对膜物理化学性质以及结构特性等各项内容进行深度解读，所以主要适用于对称无机盐和中性物质分离估算操作。细孔模型会对压力差以及浓度梯度作用之下的，受细孔作用以及溶质分子作用所影响的，对流流动以及扩散流动变化进行描述，主要用于中性溶质分离分析。Donnan模型包括固定电荷模型以及空间电荷模型两部分内容，其中空间电荷会假设在平面二维之内进行分布，而固定电荷模型会假设在电位和离子浓度空间中进行分布，都是对电解质离子运动情况进行描述的模型。

2.现状以及发展趋势

在进行溶质溶剂分离时，因为外部操作条件以及纳滤膜材料特性等影响因素，属于相互作用以及相互影响的状态，会对物料的分离结果产生直接影响，所以纳滤膜分离机制也相对较为复杂、多元。为对纳滤膜分离过程进行精准分析，需要根据膜材料特性以及分离对象的具体情况，展开两种及以上影响因素数学模型设置，进而完成相应分离机制分析，而这也是今后分析方式的主要发展趋势。目前，学者已经就道南空间-细孔模型和静电排斥-立体阻碍模型等相关模型，展开了深度研究。

（二）跨膜压力

1.概念及问题分析

在进行分离时，存在电位差、浓度差以及压力差等各项差距问题，其中跨膜压力是指水透过滤膜所需要进行驱动的压力。因为膜孔的孔径相对较小，存在部分膜表面亲水性能不足的状况，所以即便是在正常大气压环境中，原水体也会出现难以透过滤膜或者透滤速度不理想的状况，需要通过施加气压，进而产生压力差的方式，对水体透过滤膜进行驱动。因为各种膜的结构并不相同，所以相应推动压力和通量范围也存在一定差异。跨膜压力会受到多种因素的影响，膜结构以及材料性质等都可能会对压力产生相应作用。通常如果表面亲水性相对较低、孔径相对较小，所需要的跨膜压力也就会相对较大。现阶段，在对纳滤膜进行应用过程中，都会考虑通过施加驱动压力的方式，保证分离处理效果。但驱动压力的不断增大，会造成装置复杂度较高以及能耗较高等方面的问题，对于耐压性能方面的要求也在不断提升。

2.低压改性纳滤膜发展现状

现阶段对于低压纳滤膜的整体研究方式相对较少，在具体进行研究过程中，会以超滤膜为基础，通过运用改性制备方式得到相应低压纳滤膜，或通过提升膜可透过性的方式，保证其亲水性能，整体需要的跨膜压差相对较小。技术人员通过进行聚砜超滤机膜紫外接枝改性处理，展开了低压大空量复合纳滤膜制备，并将操作压力控制在0.5 MPa。运用紫外嫁接以及界面聚合等处理模式，技术人员在聚丙烯晴超滤膜表面，展开了超薄聚电解质分离层制备，获得了低压纳滤膜。在各种方法的应用过程中，层层自组装方法所制备的操作压力数值相对较低，在0.2 MPa左右。技术人员将聚砜作为基础膜，运用层层自组装方式，对聚阳离子电解质和聚阴离子电解质展开了处理，获得了相应纳滤膜，整体操作压力为0.4MPa。运用PVC中空纤维膜，通过界面聚合制备手段，对均苯三甲酰氯以及间苯二胺展开了处理，获得低压纳滤膜，确定了最佳操作条件，整体反应时间为一分钟，干燥时间为40分钟，操作压力为0.3MPa。通过运用化学改性手段，对氟化聚胺、醌基团展开处理，能够将操作压力控制在0.1以下，整体的操作质量较为理想。目前，在商业化纳滤膜材料处理过程中，多为聚芳香酰胺和聚哌嗪酰胺，驱动压力相对较高，操作压力最高能够达到2 MPa，需要做好控制。

（三）膜污染

1.概念以及产生原因

因为纳滤膜属于压力驱动膜，在实际应用过程中，很容易会出现膜污染问题，导致膜的使用寿命以及分离性能受到干扰，会直接增加维护以及操作成本，致使膜技术应用发展受到相应限制。膜污染主要是指膜表面和污染物发生聚合以及吸附等操作，会展膜孔道内以及表面形成堵塞、沉积等问题，表面污染包括凝胶污染以及泥饼两种。而在诸多污染之中，可逆污染是因为浓差极化或者物理筛分所造成的膜表面堆积问题，可通过进行错流冲洗或者反向冲洗的方式，对表面积累进行处理，会导致膜有效孔径出现缩小状况，很难用物理方式达到彻底清除效果。正如上文所述，纳滤膜污染物主要包括有机污染以及无机污染等几种类型。

膜材料本身特性以及待处理原液物理化学性质等各项因素，都可能会引发膜污染问题。就膜通量影响来看，其影响在有机污染物中作用最为明显，有机物会通过和材料以及磨孔道进行结合的方式，产生相应的污染问题。通过对同分子量大小亲疏水性物质进行研究的方式，可以确定亲疏水性物质是导致膜表面阻力增加的重要影响因素，而通过对操作压力以及溶液条件影响的分析，能够确定PH值减小，会直接增加膜和污染物之间的黏附自由能负值，会直接增加膜污染问题影响程度。错流流速以及操作压力也会对无机离子结晶沉淀产生影响，会因为流速降低以及压力增大，而导致结晶趋势出现不断变大的状态。

2.耐污改性纳滤膜发展现状

为对膜污染问题形成有效控制，研究人员采用了一系列有效控制举措，具体体现在以下几个方面：①进行耐污染膜制备，提高膜的耐污染性能；②对过滤水进行预处理，减少膜污染问题发生概率；③对操作条件进行优化，降低污染物附着以及结合等各项可能性；④对清洗方式进行研究，确保清洗效果能够得到不断优化，能够有效减小污染问题影响程度；⑤通过对膜组件结构进行改善的方式，对流体力学条件进行优化处理；⑥通过添加药剂的方式对原料液性质进行改善，可通过加入醚氧集团的方法，展开耐氯性以及耐污染高性能聚乙二醇基复合纳滤膜式制备，保证通水量的稳定性，确保其恢复率能够达到90%以上。

由于不可逆污染问题是导致膜污染问题的重要因素，在通过生物以及物理过滤处理之后，可达到阻力逐渐变小的情况，所以可以通过对间歇抽吸以及曝气等手段的应用，对微生物附着生长以及表面沉积问题进行有效抑制。可通过对有机高分子以及聚合金属盐等凝絮剂的应用，对膜污染问题进行有效改善，确保能够利用凝聚降低多糖物质以及蛋白的效果，对膜孔中的附着量进行有效控制，确保原料液中大分子浓度可以被控制在合理范围之内，从而实现对凝胶成形成速度的合理限制。为保证膜污染问题能够得到根本治理，需要制备出抗污染性能较为理想的过滤膜材料。

现阶段的纳滤膜耐污性改性处理，主要以提升膜亲水性能为主。会通过在其内部或表面加入亲水基团的方式，对聚合物膜本体性能进行调整，保证膜表面的亲水性能能够得到合理提升，膜的耐污性能可以达到最优状态，水通量的恢复率可以达到96%以上。可通过在膜表面进行石墨烯纳米板涂覆的方式，增强膜的亲水性能，确保改性膜抗生物污染性能能够达到理想状态，水通量恢复率能够超过90%。

（四）分析与展望

分离技术已经成为现代民众生活以及生产中不可或缺的技术，操作简单以及无二次污染的物理分离技术，已经成为目前技术应用主流方向。作为重要物理分离技术，膜分离技术的应用具有传统精馏以及萃取等技术不可比拟的优势，但因为我国膜材料发展时间相对较短，整体发展还存在着一定限制问题，导致纳滤膜的应用受到了直接影响，所以需要对新型高性能膜材料进行研发，以便对膜技术发展形成有效推动。

结束语：

由于纳滤膜分离技术在水资源处理以及其他方面有着重要作用和价值，所以技术人员需要进一步加大对分离技术应用效果以及应用问题的研究力度。不仅要掌握技术在实际应用中存在的问题，同时还要通过提升膜亲水性能以及其他有效手段，对膜材料进行改性处理，确保能够制备出一款高性能的耐污材料，操作压力也可以被控制在合理范围之内，从而实现理想化纳滤膜应用模式，保证纳滤膜分离技术的应用能够达到理想效果。

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