纳滤膜孔结构、荷电性质、分离机理及动电性质研究进展

第31卷第3期2011年6月膜科学与技术MEMBRANESCIENCEANDTECHNoI，oGYV01．31No．3Jun．2011纳滤膜孔结构、荷电性质、分离机理及动电性质研究进展王晓琳。，涂丛慧，方彦彦，肖燕，周波(清华大学膜材料与工程北京市重点实验室，北京lo0084)摘要：纳滤膜拥有介于反渗透膜和超滤膜之间的截留分子量，同时对无机盐的截留率随着盐的种类和浓度而改变，广泛应用于各种水净化处理和产品精制分离过程．文章从纳滤膜孔结构和荷电性质、纳滤膜分离机理及其模型、纳滤膜动电性质等三个方面对纳滤膜分离技术20多年来的基础及应用研究进展进行回顾和总结，简要分析了今后纳滤膜分离技术的发展方向及趋势．关键词：纳滤膜；结构模型；非平衡热力学；筛分效应；荷电效应；动电性质中图分类号：TQ028．8文献标识码：A文章编号：1007—8924(2011)03一0127一0820世纪60年代l力eb和Sourirajan首次成功制备出可用于海水淡化的非对称醋酸纤维素反渗透膜，被称之为现代膜科学与技术发展的里程碑．随后一系列具有不同截留分子量(截留性能从反渗透延伸到超滤)的非对称醋酸纤维素膜被陆续开发出来，分离性能介于两者之间的纳滤膜应运而生，因此早期的纳滤膜通常又被称之为“疏松”的反渗透膜或“致密”的超滤膜．早期的纳滤膜因其材质大多是醋酸纤维素(生物和化学稳定性较差)或聚电解质，虽然具有纳滤所特有的截留特性，但通量较低导致应用受到了限制．直至70年代末，Cadotte将哌嗪先后与1，3，5一苯三甲酰氯、间苯二酰氯聚合，成功制备出通量高、NaCl截留率低(<60％)、MgS04截留率却高达99％的超薄层复合膜，使得纳滤膜在水净化处理过程中的大规模应用成为可能．1984年Filmtec公司首次采用“纳滤”这一术语描述这一类特殊的具有纳米级截留性能的分离膜，至今大规模商业化的纳滤膜大多采用芳香族聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜等材质．根据webofscience(ISI公司)进行文献检索，自1987年至2011年3月期间以纳滤(nanofiltra—tion)作为关键词检索到5666条文献．按文献类别可分为期刊论文3356、专利1072、会议论文1064、综述104等；按学科类别可分为工程3424、化学2208、水资源1774、高分子科学1236、环境科学与生态学935等；按逐年发表数量统计：1987～1991年分别2、3、3、5、7；1992～1995年分别为29、28、37、58；1996～2000年分别为94、122、130、164、215；2001～2005年分别为204、31l、307、297、405；2006～2010年分别为520、474、603、778、778．笔者1992年刚进入日本东京大学博士课程时，选择纳滤膜分离机理作为研究课题，能查阅参考的纳滤文献仅数篇，而今感到欣慰的是当年刻苦努力为获得工学博士学位而发表了4篇学术论文，至今其中3篇的引用次数均过百次．(现在的年轻学子们开展任何研究课题时，检索到的相关文献都是数百上千，文献的泛读与精读是锻炼独立思考、分析和解决问题能力的重要举措)．值此《膜科学与技术》创刊30周年之际，本文分别从纳滤膜孔结构和荷电性质、纳滤膜分离机理及其模型、纳滤膜动电性质等三个方面，对纳滤膜分离技术20多年来的基础及应用研究进展进行回顾和收稿日期：2011一05一08基金项目：国家“973”计划项目(2009CB623404)；北京市自然科学重点基金资助项目(2100001)作者简介：王晓琳(1963一)，男，博士，教授，博导．从事膜过程、燃料电池的基础与应用研究．*通讯联系人万方数据·128·《膜科学与技术》创刊30周年专刊第31卷总结，简要分析了今后纳滤膜分离技术的发展方向及趋势，期待着纳滤膜分离技术在水资源短缺、水环境污染日趋严重的现在与将来发挥更加重要的作用．1纳滤膜孔结构和荷电性质纳滤膜有两个典型特征：1)其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，可以截留分子量为200～2000的小分子；2)纳滤膜表面分离层通常带有电荷，因此对不同价态的离子存在Donnan效应，对无机电解质具有一定的截留率．大多数纳滤膜的相关研究都是基于这两个典型特征展开的，因此如何表征纳滤的这两个结构特点是至关重要的．1．1纳滤膜孔结构对于膜孔半径为纳米尺度的纳滤膜而言，是将膜视为有孔膜还是视为均相膜，目前还难以得出有效的结论．若将纳滤膜视为有孔膜，对溶质、溶剂的宏观传递过程是否适用于纳米尺度下的膜孑L也尚无定论，这主要是目前用于证实纳滤膜结构的分析、测量技术尚不成熟L1]．但是目前大多数研究者还是将纳滤膜视为有孔膜，并使用一些适用于宏观传递过程的模型进行描述，那么目前纳滤膜的结构参数包括膜孔半径(rD)、孔形状、孔有效长度或分