有机溶剂中纳滤膜通量和截留率的研究

第31卷第6期2004年北京化工大学学报JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYVol.31,No.62004有机溶剂中纳滤膜通量和截留率的研究张新晖1袁其朋1＊方力1杨晓进2(1.北京化工大学生命科学与技术学院,北京100029)(2.新南威尔士大学UNESCO膜科学与技术中心,澳大利亚悉尼2052)摘要:对不同纳滤膜(LES-90、NF-SH和Desal-DK膜)在水和4种有机溶剂(甲醇、乙醇、乙酸乙酯和丙酮)中的稳定性进行了观测。研究了压力对水、甲醇和乙醇透过以上3种纳滤膜的传递通量的影响情况,结果表明,在一定的压力下,与纯水比较改变压力对甲醇有机溶剂的影响较大,压实效应较明显。实验还研究了温度对传递通量的影响,对Hagen-Poiseuille模型在有机溶剂中的适用性进行了验证。最后对不同的考马斯亮蓝-G溶液透过不同的膜的通量和溶质的截留率进行了研究,由于在有机相中,膜表面聚合链的迁移率和溶质-溶剂-膜的相互作用,其溶质截留率远低于水相。关键词:纳滤膜;通量;截留率;有机溶剂;聚合链中图分类号:TQ028收稿日期:2004-02-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(20176001)第一作者:女,1978年生,硕士生＊通讯联系人E-mail:xinhuizhang@hotmail.com引言在有机相体系中,应用纳米过滤技术进行分离是一项新的研究领域,近年来得到了越来越广泛的应用[1]。虽然国外有很多关于有机相中纳滤的传递机理研究的报道,但是大多数报道是研究一些因素(如操作条件[2]、物料性质[3]及膜材料本身[4])对纳滤膜在有机相中分离过程的影响,尚未建立完整的有机相纳滤传递模型。然而,纳滤膜在有机溶剂中的不稳定性和在有机相中纳滤传递机理的影响参数的确定是急待解决的重要问题,如果解决了上述问题,对开发大通量的有机溶剂用膜,研究有机相中纳滤传递机理、建立传递模型具有重要的意义。本文主要观测了膜在溶剂(纯水、甲醇、乙醇、丙酮和乙酸乙酯)中的稳定性。并且与水相体系相比,考察了压力和温度对有机溶剂膜通量的影响,从而确定有机体系中影响膜通量的参数。在此基础上,期望利用这些参数来建立纳滤膜在有机溶剂中的通量传递模型。此外,对含溶质溶液的通量和截留率进行了观测及比较,确定有机溶液中通量和溶质截留率的影响因素,从而可以在今后的研究中得到溶液中通量与截留率的数学关联式。1实验部分1.1膜本文实验中,应用3种品牌的纳滤膜,LES-90(NittoDenkoCorporation)、NF-SH(FilmTecCorpo-ration)和Desal-DK膜(DesalinationSystemCompa-ny)。膜使用前浸泡在质量分数50%的乙醇水溶液中过夜。每次实验之前,将所用纳滤膜用实验所用溶剂冲洗若干次,然后浸泡在此种溶剂中0.5～1h左右。1.2溶剂实验中所用的溶剂是纯水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮。这些溶剂经常应用于制药和化学工业的过程。溶剂的理化性质如表1所示。表1溶剂的一般理化性质Table1Physicalpropertiesofsolventsused溶剂摩尔质量M/(g·mol-1)黏度×103/(Pa·s)表面张力/(mN·m-1)介电常数/(F/m)水180.8972.7580.3甲醇40.40.5922.5531.2乙醇58.41.1722.2724.3丙酮73.30.3223.7020.8乙酸乙酯88.10.4523.7525.7DOI:10.13543/j.cnki.bhxbzr.2004.06.0021.3溶质实验中所用的溶质为考马斯亮蓝-G,其相对分子质量为854,分子式C47H48N3O7S2Na,易溶于热水和醇类物质,微溶于冷水。其吸收光波长为595nm。1.4实验过程实验装置如图1所示,膜实验装置由日本Nitto图1透过实验装置示意图Fig.1IllustrationofexperimentcellfornanofiltrationusedinthisstudyDenkoCorporation提供,膜直径为7.5cm。实验过程中,温度控制在10～40℃,以高纯氮加压,压力控制在0.5～1.5MPa之间,利用量筒测定透过液的体积,利用公式J=V/St计算出通量(L/m2h),其中V为透过液的体积(L),S为纳滤膜的面积(m2),t为时间(h)。为了消除实验条件(如溶剂杂质、膜结构的破坏)造成的误差,首先将待测的溶剂透过纳滤膜,测得通量,将滤出液再透过另一张同种膜,再测通量,记录数据,两次所得的通量值误差小于±5%。利用分光光度法测原料液和透过液的吸光度A,计算出原料液溶质质量浓度ρb(mg/L)和透过液溶质质量浓度ρp(mg/L)。通过截留率计算公