纳滤膜 NF-membrane
纳滤膜
纳滤膜的发展
纳滤（NF）：截留分子量在150以上、直径在1nm左右的物质，是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术。
在过去的很长一段时间里，纳滤膜被称为超低压反渗透膜（LPRO：Low Pressure Reverse Osmosis），或称选择性反渗透膜或松散反渗透膜（Loose RO：Loose Reverse Osmosis）。日本学者大谷敏郎曾对纳滤膜的分离性能进行了具体的定义：操作压力≤1.50mPa，截留分子量200～1000，NaCl的截留率≤90％的膜可以认为是纳滤膜。现在，纳滤技术已经从反渗透技术中分离出来，成为介于超滤和反渗透技术之间的独立的膜分离技术，己经广泛应用于海水淡化、超纯水制造、食品工业、环境保护等诸多领域，成为膜分离技术中的一个重要的分支。
NF膜主要去除直径为1个纳米 ( nm ) 左右的溶质粒子，截留分子量为100～1000，在饮用水领域主要用于脱除三卤甲烷中间体、异味、色度、农药、合成洗涤剂，可溶性有机物，Ca、Mg等硬度成分及蒸发残留物质。
纳滤原理
与超滤及反渗透膜分离过程一样，纳滤也是以压力差为推动力的膜分离过程，是一个不可逆过程。其分离机制可以运用电荷模型（空间电荷模型和固定电荷模型）、细孔模型以及近年来才提出的静电排斥和立体阻碍模型等来描述。与其他膜分离过程比较，纳滤的一个优点是能截留透过超滤膜的小分子量的有机物，又能透析反渗透所截留的部分无机盐——也就是能使“浓缩”与脱盐同步进行。
NF膜分离需要的跨膜压差一般为0.5-2.0MPa，比用反渗透膜达到同样的渗透能量所必须施加的压差低0.5-3Mpa。在同等的外加压力下，纳滤的通量要比反渗大得多，而在通量一定时，纳滤所需的压力则比反渗透的低很多。所以用纳滤膜进行的膜分离过程中，溶液中各种溶质的截留庇有如下规律：
① 随着摩尔质量的增加而增加；
② 在给定进料浓度的情况下，随着跨膜压差的增加而增加；
③ 在给定压力的情况下，随着浓度的增加而下降；
④ 对于阴离子来说，按NO3-、CI-、OH-、SO42-、CO42-顺序上升。
⑤ 对于阳离子来说，按H+、Na+、K+、Ca2+、Cu2+顺序上升。
经典模型
a.溶解--扩散原理：渗透物溶解在膜中，并沿着它的推动力梯度扩散传递，在膜的表面形成物相之间的化学平衡，传递的形式是：能量=浓度o淌度o推动力，使得一种物质通过膜的时候必须克服渗透压力。
b.电效应：纳滤膜与电解质离子间形成静电作用，电解质盐离子的电荷强度不同，造成膜对离子的截留率有差异，在含有不同价态离子的多元体系中，由于道南(DONNAN)效应，使得膜对不同离子的选择性不一样，不同的离子通过膜的比例也不相同。
纳滤过程之所以具有离子选择性，是由于在膜上或者膜中有负的带电基团，它们通过静电互相作用，阻碍多价离子的渗透。根据文献说明，可能的荷电密度为0.5～2meq/g。
为此，我们可用道南效应加以解释：
ηj=μjzj.f.φ
式中ηj——电化学势；
μj——化学势；
zj——被考查组分的电荷数；
f——每摩尔简单荷电组分的电荷量；
φ——相的内电位，并且具有电压的量纲。
式中的电化学势不同于熟知的化学势，是由于附加了zj.f.φ项，该项包括了电场对渗透离子的影响。利用此式，可以推导出体系中的离子分布，以计算出纳滤膜的分离性能。
膜材质和主要产品
纳滤膜的成膜材料基本上与反渗透材料相同。商品化纳滤膜的膜材质主要有以下几种：醋酸纤维素(CA)、磺化聚砜(SPS)、磺化聚醚砜(SPES)和聚乙烯醇(PVA)等。无机材料制备的纳滤膜目前也已商品化。
纳滤膜的制备工艺大致有以下几种：相转化法、稀溶液涂层法、界面聚合法、热诱导相转化法、化学改良法等，其中界面聚合法是制备纳滤膜最常用的方法。无机材料纳滤膜一般采用溶胶-混凝法制备。
表1所示是部分纳滤膜的分离性能，可以看出，不同纳滤膜的分离性能不完全相同。他们有一个共同点，即膜对单价离子的截留率低，对硫酸根和蔗糖的截留率高，膜对单价离子的截留率随溶液浓度的增高而迅速下降。膜的这些特性受控于膜材料、膜结构形态和膜的表面性质等。
纳滤膜组件
商业上的纳滤膜组件大多为卷式组件，此外也有采用管式和中空纤维式的纳滤膜组件。表2所示是部分纳滤膜组件的性能。
纳滤膜有2个特性：1、对不同有机物组分的分离性能，分子量的“切割”范围约为200-1000；2、膜表面负电荷对不同电荷和不同价态阴离子的Donnan点位不一样。纳滤膜的独特性能决定了它的应用范围，适用于下述三种情况下的物质分离：1、对单价盐分离的截留率要求不高；2、要求进行不同价态离子的分离；3、要求对高分子量有机物与低分子量有机物进行分离。
纳滤膜的应用
纳滤膜是介于反渗透膜和超滤膜之间的一种压力驱动膜，是近年来国际上发展较快的膜品种之一。该类膜对多价离子和分子量在200以上的有机物的截留率较高，而对单价离子的截留率较低。反渗透膜脱除了所有的盐和有机物，而超滤膜对盐和低分子有机物没有截留效果。纳滤膜截留了糖类低分子有机物和多价盐，对单价盐的截留率仅为10%-80%左右，具有相当大的通透性，而二价及多价盐的截留率均在50%-90%以上。由于单价盐能自由透过纳滤膜，所以膜两侧不同离子浓度所造成的渗透压要远低于反渗透膜。因此，纳滤膜比反渗透膜所要求的操作压力要低。
纳滤膜对盐的截留性能主要是由于离子与膜之间的静电相互作用。盐离子的电荷强度不同，膜对离子的截留率也有所不同。对于含有不同价态离子的多元体系，由于膜对各种离子的选择性有异，根据道南效应不同离子透过膜的比例不同。当多价离子浓度达到一定值，单价离子的截留率甚至出现负值，即透过液中单价离子浓度大于料液浓度。纳滤膜对中性物质（不带电荷，如乳糖、葡萄糖、麦芽糖等）的截留则是根据膜的纳米级微孔分子筛效应。
根据纳滤膜的特性，其主要应用场合包括：
1）对单价盐并不要求有很高的截留率；
2）欲实现不同价态的离子的分离；
3）欲实现高相对分子量与低相对分子量有机物的分离。
1、软化水处理
对苦咸水进行软化、脱盐是纳滤膜应用的最大市场。在美国目前已有超过40万吨/日规模的纳滤膜装置在运转，大型装置多数分布在佛罗里达半岛，其中最大的两套装置规模分别为3.8万吨/日 ( 1989年 ) 和3.6万吨/日 ( 1992年 )。
2、饮用水中有害物质的脱除
传统的饮用水处理主要通过絮凝、沉降、砂滤和加氯消毒来去除水中的悬浮物和细菌，而对各种溶解性化学物质的脱除作用很低。随着水源的环境污染加剧和各国饮水标准的提高，可脱除各种有机物和有害化学物质的"饮用水深度处理"日益受到人们的重视。目前的深度处理方法主要有活性碳吸附、臭氧处理和膜分离。膜分离中的微滤(NF)和超滤(UF)因不能脱除各种低分子物质，故单独使用时不能称之深度处理。纳滤膜由于本身的性能特点，故十分适用于此用途的应用。美国食品与医药局曾用大型装置证实了纳滤膜脱除有机物、合成化学物的实际效果。日本也曾于1991～1996年组织国家攻关项目"MAC21"(Membrane Aqua Century21)开发膜法水净化系统。该项目的前三年侧重于微滤/超滤膜的固液分离，后三年重点开发以纳滤膜为核心，以脱除砂滤法不能脱除的溶解性微量有机污染物为目的的饮水深度净化系统。大量工业装置的运行实践表明，纳滤膜可用于脱除河水及地下水中含有三卤甲烷中间体THM(加氯消毒时的副产物为致癌物质)、低分子有机物、农药、异味物质、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物质。
3、 中水、废水处理
中水一般指将大型建筑物(宾馆、写字楼、商场等)中排出的生活污水处理后用于厕所冲洗等非饮用再利用水，在中水领域的膜利用，日本作了很多的工作。纳滤膜在各种工业废水的应用也很多实例，如造纸漂白废水处理等。生活废水中，纳滤膜与生物处理(活性污泥)相结合也已进入实用阶段。
4、食品、饮料、制药行业
此领域中的纳滤膜应用十分活跃，如各种蛋白质、氨基酸、维生素、奶类、酒类、酱油、调味品等的浓缩、精制。
5、化工工艺过程水溶液的浓缩、分离
如化工、染料的水溶液脱盐处理。
