纳滤膜的传质机理及其应用

纳滤与超滤、反渗透一样，均是以压力差为驱动力的膜过程，但其传质机理有所不同。一般认为，超滤膜由于孔径较大，传质过程主要为孔流形式（筛分效应）；反渗透膜大多属于无孔膜，其传质过程为溶解—扩散过程（静电效应）；纳滤膜存在纳米级微孔，且大部分荷负电，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。

Van der Bruggen等在4种纳滤膜上研究了25种有机物的分子大小、极性及电荷对截留的影响，发现截留率会由于分子的化学结构、电荷和极性等特性的不同而异，表观截留率与表示分子尺寸的3种参数（Stokes直径、当量摩尔直径和计算分子直径）之间有良好的相关性，因此，可以用截留率与尺寸参数的曲线关系代替截留相对分子质量来描述膜的分离特性。实验结果发现，纳滤膜对高偶极矩的分子的截留率高于无极性的分子，这种独立的膜电荷效应可解释为静电作用而使偶极朝向膜。有机分子的截留行为受电荷的影响，且不同孔隙有很大差异：小孔隙的膜受电荷影响小，当孔隙变大后，这种效应的影响作用变得明显，当孔隙非常大时，电荷效应成了高电荷膜截留率的决定因素。Wijmans认为，当膜孔径很小时，其传质机理为孔流机理和溶解—扩散之间的过渡态。这是因为，存在于溶解—扩散膜中的传质通道是随着构成膜的高分子链间的自由体积的出现而出现的，渗透物通过由此产生的通道而扩散透过膜；在孔流膜中，“自由体积”形成的孔相对固定，位置和通道的大小都不会有大的波动.所以“自由体积”越大（即孔越大），孔持续的时间越长，膜的性质表现为孔流的特性。传质通道的位置和大小不会发生改变的孔称为永久孔，相反，膜中的传质通道为非固定的称为暂时孔。超滤膜中的“孔”是永久性的，而反渗透中的“孔”是暂时性的。初步估计，永久孔与暂时孔的过渡态的孔径为0.5～10nm，也就是纳滤膜的孔径范围。

对于纯电解质溶液，因唐南（Donnan）平衡，同性离子会被带电的膜活性层所排斥，如果同性离子为多价，截留率会更高。同时为了保持电荷平衡，反离子也会被截留，导致电迁移流动与对流方向相反。但是，带多价反离子的共离子较带单价反离子的共离子的截留率要低，这可能是多价反离子对膜电荷的吸附和屏蔽作用所致。对于两种同性离子混合物溶液，根据唐南理论，与它们各自的单纯盐溶液相比，多价共离子比单价共离子更容易被截留。两种共离子的混合液，由于它们迁移率的不同，使低迁移率的反离子的截留逐渐减少，而高迁移的反离子的浓度增加，造成电流和电迁移的“抵消”。(www.xing528.com)

纳滤膜对极性小分子有机物的选择性截留是基于溶质的尺寸和电荷。溶质的传递可以理解为以下两步：第一步，根据离子所带电荷选择性地吸附在膜的表面；第二步，在扩散、对流、电泳移动性的共同作用下传递通过膜。Martin-Oruec等对氨基酸和多胺的纳滤机理进行研究认为，不论是哪种溶液，在溶质的传递行为中，其电荷效应（即与膜电荷相同的离子同膜的排斥或与膜电荷相反的离子同膜的吸引）比尺寸效应更占优势。中性氨基酸也可以被看作是带一个正电荷和一个负电荷的氨基酸，每种氨基酸的传递是同其正负电荷的数目而不是同球体静电荷相关。这些确立了由对流—吸引和排斥以及对流—电迁移而形成溶质通过膜的流动，导致了溶质的传递。