【杭州瑞納納濾膜設(shè)備】2013年3月29日訊。

    納濾類似于反滲透和超濾，均屬于壓力驅(qū)動(dòng)的膜過(guò)程，但其傳質(zhì)機(jī)理卻有所不同。一般認(rèn)為，由于孔徑較大，傳質(zhì)過(guò)程主要為孔流形式，而通常屬于無(wú)孔致密膜，溶解－擴(kuò)散的傳質(zhì)機(jī)理能成功解釋其截留性能。

    根據(jù)形式的不同，納濾模型分為：基于擴(kuò)展Nernst－Planck方程的模型，如雜化模型等；基于Maxwell－Stefan傳遞方程的模型，如MS模型；根據(jù)熱力學(xué)和流體力學(xué)基本概念，另外建立通量公式的模型，如溶解－擴(kuò)散模型、細(xì)孔模型等。

    根據(jù)分離對(duì)象的不同，目前的傳質(zhì)機(jī)理可分成兩類：當(dāng)對(duì)象為非電解質(zhì)溶液時(shí)，其傳質(zhì)模型不考慮電解質(zhì)與膜表面電荷的靜電作用，主要有摩擦模型、空間位阻－孔道模型、溶解－擴(kuò)散模型、不完全溶解－擴(kuò)散模型和擴(kuò)散－細(xì)孔流模型等；當(dāng)納濾膜的分離對(duì)象為電解質(zhì)溶液時(shí)，其傳質(zhì)過(guò)程受膜表面電荷與電解質(zhì)電荷作用的影響很大，此時(shí)靜電作用不能忽略，其代表性的傳質(zhì)模型有固定電荷模型、空間電荷模型、靜電位阻模型和雜化模型等。

    空間位阻－孔道模型

    該模型假定多孔膜具有均一的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)為具有一定大小的剛性球體，且圓柱孔壁對(duì)穿過(guò)其圓柱體的溶質(zhì)的孔壁影響很小。該模型需知道膜的微孔結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)大小,然后就可運(yùn)用細(xì)孔模型計(jì)算出膜參數(shù)，從而得知膜的截留率與膜透過(guò)體積流速的關(guān)系。反之，如果已知溶質(zhì)大小，并由其透過(guò)實(shí)驗(yàn)得到膜的截留率與膜透過(guò)體積流速的關(guān)系從而求得膜參數(shù)，也可以借助于細(xì)孔膜型來(lái)確定膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在該模型中孔壁效應(yīng)被忽略，僅對(duì)空間位阻進(jìn)。

    膜過(guò)程的不可逆熱力學(xué)模型

    對(duì)于液體膜分離過(guò)程，其傳質(zhì)現(xiàn)象通常用非平衡熱力學(xué)模型來(lái)表征。納濾膜分離過(guò)程與微濾、超濾、反滲透膜分離過(guò)程一樣，以壓力差為驅(qū)動(dòng)力，其通量可以由非平衡熱力學(xué)模型建立的現(xiàn)象論方程式來(lái)表征，方程式中的系數(shù)被稱為膜的特征參數(shù)，膜特征參數(shù)可以通過(guò)關(guān)聯(lián)膜過(guò)濾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得，如可根據(jù)純水透過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定膜的純水透過(guò)系數(shù)。根據(jù)膜對(duì)單組分溶質(zhì)的截留率隨溶劑透過(guò)通量變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到膜的反射系數(shù)和溶質(zhì)透過(guò)系數(shù)。如果已知膜的結(jié)構(gòu)特性，上述膜特征參數(shù)則可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型來(lái)確定，從而無(wú)需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)即可表征膜的傳遞分離機(jī)理。表述膜的結(jié)構(gòu)特性與特征參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型有電荷模型、細(xì)孔模型等。

    溶解－擴(kuò)散模型

    溶解－擴(kuò)散模型。該模型假定溶質(zhì)和溶劑溶解在無(wú)孔均質(zhì)的膜表面層內(nèi)，然后各自在化學(xué)位的作用下透過(guò)膜，溶質(zhì)和溶劑在膜相中的擴(kuò)散性存在差異，這些差異對(duì)膜通量的影響很大。該模型是以純擴(kuò)散為基礎(chǔ)的模型，適用于水含量（容納量）低的膜。不完全的溶解－擴(kuò)散模型。該模型是溶解－擴(kuò)散模型的擴(kuò)展，它把溶劑和溶質(zhì)在微孔中的流動(dòng)也包括進(jìn)去。該模型承認(rèn)在膜的表面存在不完善、不完美之處（缺點(diǎn)、孔），溶劑和溶質(zhì)可通過(guò)它們流過(guò)。

    擴(kuò)展的Nernst－Plank 方程模型

    擴(kuò)展的Nernst－Plank方程用于描述離子通過(guò)荷電膜的傳遞。該模型忽略加壓擴(kuò)散的局部相關(guān)性，同時(shí)認(rèn)為膜內(nèi)各種離子滿足電中性條件，它是納濾法處理含鹽溶液過(guò)程中傳質(zhì)的基礎(chǔ)，但因在模型中涉及十幾個(gè)參數(shù)，無(wú)法得到準(zhǔn)確定量值，即使是簡(jiǎn)單的二元混合物在等溫情況下也含七個(gè)參數(shù)，難以求解，因而很少應(yīng)用。但利用該模型可定性地了解傳質(zhì)過(guò)程中的特點(diǎn)和分離趨勢(shì)。

    Donnan 平衡模型

    將荷電基團(tuán)的膜置于鹽溶液時(shí)，溶液中的反離子在膜內(nèi)的濃度大于其在主體溶液中的濃度，而同名離子在膜內(nèi)的濃度低于其在主體溶液中的濃度。由此形成了Donna位差，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，反離子同時(shí)被膜截留。該模型是把截留率看作膜的電荷容量、進(jìn)料液中溶質(zhì)的濃度以及離子的荷電數(shù)的函數(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的，但沒(méi)考慮擴(kuò)散和對(duì)流的影響，而這些作用在真實(shí)的荷電膜中的影響不容忽視。

    靜電排斥和立體位阻模型

    該模型既考慮了細(xì)孔模型所描述的膜微孔對(duì)中性溶質(zhì)大小的位阻效應(yīng)，又考慮了固體電荷所描述的膜的帶電特性對(duì)離子的靜電排斥作用，因而該模型能夠根據(jù)膜的帶電細(xì)孔結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)的帶電性及大小來(lái)推測(cè)膜對(duì)帶電溶質(zhì)的截留性能。為了檢驗(yàn)該模型，Wang等[11]選擇幾種有機(jī)電解質(zhì)作為示蹤劑加入到氯化鈉溶液中，進(jìn)行了數(shù)種品牌納濾膜的透過(guò)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好，因此靜電排斥和立體位阻模型可以較好地描述納濾膜的分離機(jī)理。

    電荷模型

    據(jù)對(duì)膜內(nèi)電荷及電勢(shì)分布情形的不同，電荷模型分為空間電荷模型和固定電荷模型。空間電荷模型最早由Osterle等提出，該模型假設(shè)膜由孔徑均一而且其壁面上電荷均勻分布的微孔組成，微孔內(nèi)的離子濃度和電場(chǎng)電勢(shì)分布、離子傳遞和流體流動(dòng)分別由Poisson－Boltzmann方程、Nernst－Plank方程和NavierStokes方程等來(lái)描述。空間電荷模型是表征電解質(zhì)及離子在荷電膜內(nèi)的傳遞及動(dòng)電現(xiàn)象的較為理想的模型。Ruckenstein等運(yùn)用空間電荷模型進(jìn)行了電解質(zhì)溶液滲透過(guò)程的溶劑（水）滲透通量、離子截留率及電氣粘度的數(shù)值計(jì)算等，討論了膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)及電荷密度等影響因素。Anderson等根據(jù)空間電荷模型對(duì)微孔荷電膜的動(dòng)電現(xiàn)象進(jìn)行了較為詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算，并對(duì)根據(jù)雙電層理論推導(dǎo)的膜的表面Zeta電位與膜的流動(dòng)電位關(guān)聯(lián)方程Helmholtz－smoluchowsk式的適用范圍進(jìn)行了討論。Smit等將空間電荷模型與非平衡熱力學(xué)模型相結(jié)合，從理論上描述了反滲透過(guò)程中荷電膜膜內(nèi)離子的傳遞現(xiàn)象。但是由于運(yùn)用空間電荷模型時(shí),需要對(duì)Poisson－Boltzman方程等進(jìn)行數(shù)值求解，其計(jì)算工作十分繁重，因此它的應(yīng)用受到了一定的限制。

    在固定電荷模型中，假設(shè)膜相是一個(gè)凝膠層而忽略膜的微孔結(jié)構(gòu)，膜相中電荷分布均勻，僅在膜面垂直方向因Donnan效應(yīng)和離子遷移存在一定的電勢(shì)分布和離子濃度分布。該模型的特點(diǎn)是數(shù)學(xué)分析簡(jiǎn)單，未考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)（如孔徑），假定固定電荷在膜中分布是均勻的，有一定的理想性。當(dāng)膜的孔徑較大時(shí)，固定電荷、離子濃度以及電位均勻分布的假設(shè)不能成立，因而固定電荷模型的應(yīng)用受到一定限制。