【杭州瑞納納濾膜設備】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)動的膜過程，但其傳質(zhì)機理卻有所不同。一般認為，由于孔徑較大，傳質(zhì)過程主要為孔流形式，而通常屬于無孔致密膜，溶解－擴散的傳質(zhì)機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)熱力學和流體力學基本概念，另外建立通量公式的模型，如溶解－擴散模型、細孔模型等。

    根據(jù)分離對象的不同，目前的傳質(zhì)機理可分成兩類：當對象為非電解質(zhì)溶液時，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－擴散模型、不完全溶解－擴散模型和擴散－細孔流模型等；當納濾膜的分離對象為電解質(zhì)溶液時，其傳質(zhì)過程受膜表面電荷與電解質(zhì)電荷作用的影響很大，此時靜電作用不能忽略，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，且圓柱孔壁對穿過其圓柱體的溶質(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,然后就可運用細孔模型計算出膜參數(shù)，從而得知膜的截留率與膜透過體積流速的關(guān)系。反之，如果已知溶質(zhì)大小，并由其透過實驗得到膜的截留率與膜透過體積流速的關(guān)系從而求得膜參數(shù)，也可以借助于細孔膜型來確定膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在該模型中孔壁效應被忽略，僅對空間位阻進。

    膜過程的不可逆熱力學模型

    對于液體膜分離過程，其傳質(zhì)現(xiàn)象通常用非平衡熱力學模型來表征。納濾膜分離過程與微濾、超濾、反滲透膜分離過程一樣，以壓力差為驅(qū)動力，其通量可以由非平衡熱力學模型建立的現(xiàn)象論方程式來表征，方程式中的系數(shù)被稱為膜的特征參數(shù)，膜特征參數(shù)可以通過關(guān)聯(lián)膜過濾實驗數(shù)據(jù)求得，如可根據(jù)純水透過實驗數(shù)據(jù)確定膜的純水透過系數(shù)。根據(jù)膜對單組分溶質(zhì)的截留率隨溶劑透過通量變化的實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到膜的反射系數(shù)和溶質(zhì)透過系數(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)學模型來確定，從而無需進行實驗即可表征膜的傳遞分離機理。表述膜的結(jié)構(gòu)特性與特征參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學模型有電荷模型、細孔模型等。

    溶解－擴散模型

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

    擴展的Nernst－Plank 方程模型

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

    Donnan 平衡模型

    將荷電基團的膜置于鹽溶液時，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)的擴散。為了保持電中性，反離子同時被膜截留。該模型是把截留率看作膜的電荷容量、進料液中溶質(zhì)的濃度以及離子的荷電數(shù)的函數(shù)來進行預測的，但沒考慮擴散和對流的影響，而這些作用在真實的荷電膜中的影響不容忽視。

    靜電排斥和立體位阻模型

    該模型既考慮了細孔模型所描述的膜微孔對中性溶質(zhì)大小的位阻效應，又考慮了固體電荷所描述的膜的帶電特性對離子的靜電排斥作用，因而該模型能夠根據(jù)膜的帶電細孔結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)的帶電性及大小來推測膜對帶電溶質(zhì)的截留性能。為了檢驗該模型，Wang等[11]選擇幾種有機電解質(zhì)作為示蹤劑加入到氯化鈉溶液中，進行了數(shù)種品牌納濾膜的透過實驗。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果與模型預測結(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理。

    電荷模型

    據(jù)對膜內(nèi)電荷及電勢分布情形的不同，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)的離子濃度和電場電勢分布、離子傳遞和流體流動分別由Poisson－Boltzmann方程、Nernst－Plank方程和NavierStokes方程等來描述。空間電荷模型是表征電解質(zhì)及離子在荷電膜內(nèi)的傳遞及動電現(xiàn)象的較為理想的模型。Ruckenstein等運用空間電荷模型進行了電解質(zhì)溶液滲透過程的溶劑（水）滲透通量、離子截留率及電氣粘度的數(shù)值計算等，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)空間電荷模型對微孔荷電膜的動電現(xiàn)象進行了較為詳細的數(shù)值計算，并對根據(jù)雙電層理論推導的膜的表面Zeta電位與膜的流動電位關(guān)聯(lián)方程Helmholtz－smoluchowsk式的適用范圍進行了討論。Smit等將空間電荷模型與非平衡熱力學模型相結(jié)合，從理論上描述了反滲透過程中荷電膜膜內(nèi)離子的傳遞現(xiàn)象。但是由于運用空間電荷模型時,需要對Poisson－Boltzman方程等進行數(shù)值求解，其計算工作十分繁重，因此它的應用受到了一定的限制。

    在固定電荷模型中，假設膜相是一個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效應和離子遷移存在一定的電勢分布和離子濃度分布。該模型的特點是數(shù)學分析簡單，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。當膜的孔徑較大時，固定電荷、離子濃度以及電位均勻分布的假設不能成立，因而固定電荷模型的應用受到一定限制。