纳滤膜结构特征对纳滤过程分离性能的影响_何启贤

Effectofnano-filtrationmembranecharacteristicsonitsseparationcapacityduringthenano-filtrationprocessHeQixian1，2，LiuJiuqing1，YanGuochun1，YangQiuju1，JiangBin1（1.SchoolofMetallurgicalScienceandEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China；2.HechiVocationalCollege，Hechi547204，China）纳滤膜结构特征对纳滤过程分离性能的影响何启贤1，2，刘久清1，颜果春1，杨秋菊1，蒋彬1（1.中南大学冶金科学与工程学院，湖南长沙410083；2.河池职业学院，广西河池547204）［摘要］以预测纳滤过程分离性能为目的，讨论了纳滤膜结构特征对分离性能的影响。采用基于扩展的Nernst-Planck方程的DSPM模型进行预测，通过计算机模拟计算，研究了纳滤膜孔径（rp）、膜内电荷密度（X）以及膜厚与孔隙率的比值（λ/Ak）对纳滤分离过程的影响，为纳滤膜的工业化应用提供借鉴。［关键词］纳滤；膜内电荷密度；分离性能［中图分类号］TQ028.8［文献标识码］B［文章编号］1005-829X（2010）07-0022-04Abstract：Topredicttheseparationcapacityofnano-filtrationprocess，theeffectofnano-filtrationmembranestruc-turecharacteristicsonitsseparationcapacityisdiscussed.TheDSPMwhichisbasedontheextendedNernst-Planckequationhasbeenusedfortheprediction.Bymeansofthesimulatedcalculationbycomputer，theeffectofporera-dius（rp）ofnano-filtrationmembrane，chargedensity（X）inmembrane，andtheratio（λ/Ak）ofmembranethicknessandporosityontheseparationprocessarestudied.Itprovidesvaluablereferencefortheindustrialapplicationofnano-filbrationmembranes.Keywords：nano-filtration；chargedensityinmembrane；separationcapacity对纳滤（NF）的研究始于20世纪70年代末，J.E.Cadotte对NS-300膜的研究〔1-3〕。之后，纳滤技术发展得很快，膜组件于20世纪80年代中期商品化。作为一种新型分离技术，纳滤在工业领域的应用十分广泛。纳滤膜的工业化应用过程中势必需要一种行之有效的方法来预测纳滤过程的分离效果。目前世界上最有效的预测方法是基于扩展的Nernst-Planck方程的DSPM模型。该模型结合三个纳滤膜特征参数：孔径（rp）、膜内电荷密度（X）以及膜厚与孔隙率的比值（λ/Ak），可以较为准确地预测纳滤过程的分离效果。随着计算机技术的飞快发展，采用不作任何简化的DSPM模型进行模拟计算成为可能〔4-5〕。笔者通过MATLAB软件模拟计算，研究了纳滤膜孔径、膜内电荷密度以及膜厚与孔隙率的比值对纳滤分离过程的影响。1DSPM模型DSPM模型是在SCPM模型的基础上，用膜内平均浓度和平均电荷密度代替膜孔内径向浓度和电荷密度的梯度分布，这种简化的合理性在于，计算表明在孔径<2nm的情况下，孔内浓度和电荷密度沿径向的变化可以忽略。同时，DSPM模型还考虑了离子穿过膜层时的空间位阻效应。DSPM模型的基础是扩展的Nernst-Planck方程〔4〕，Ji是某一温度下组分i在膜微孔中的传递速率，可由式（1）表示。Ji=Ki，cci（x）Jv-Di，pdci（x）dx-zici（x）Di，pFRTdΨ（x）dx（1）等式右边从左往右的三项分别代表了对流、扩散（浓度梯度）和电迁移（电位梯度）对传质的影响。［基金项目］国家自然科学基金资助项目（20806094）；长沙市科技计划项目（k0901082-11）第30卷第7期2010年7月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol.30No.7Jul.，201022——工业水处理2010－07，30（7）Di，p是离子在膜内的扩散系数，除了由离子本身的特性决定外