納濾膜 NF-membrane
納濾膜
納濾膜的發展
納濾（NF）：截留分子量在150以上、直徑在1nm左右的物質，是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術。
在過去的很長一段時間里，納濾膜被稱為超低壓反滲透膜（LPRO：Low Pressure Reverse Osmosis），或稱選擇性反滲透膜或松散反滲透膜（Loose RO：Loose Reverse Osmosis）。日本學者大谷敏郎曾對納濾膜的分離性能進行了具體的定義：操作壓力≤1.50mPa，截留分子量200～1000，NaCl的截留率≤90％的膜可以認為是納濾膜?，F在，納濾技術已經從反滲透技術中分離出來，成為介于超濾和反滲透技術之間的獨立的膜分離技術，己經廣泛應用于海水淡化、超純水制造、食品工業、環境保護等諸多領域，成為膜分離技術中的一個重要的分支。
NF膜主要去除直徑為1個納米 ( nm ) 左右的溶質粒子，截留分子量為100～1000，在飲用水領域主要用于脫除三鹵甲烷中間體、異味、色度、農藥、合成洗滌劑，可溶性有機物，Ca、Mg等硬度成分及蒸發殘留物質。
納濾原理
與超濾及反滲透膜分離過程一樣，納濾也是以壓力差為推動力的膜分離過程，是一個不可逆過程。其分離機制可以運用電荷模型（空間電荷模型和固定電荷模型）、細孔模型以及近年來才提出的靜電排斥和立體阻礙模型等來描述。與其他膜分離過程比較，納濾的一個優點是能截留透過超濾膜的小分子量的有機物，又能透析反滲透所截留的部分無機鹽——也就是能使“濃縮”與脫鹽同步進行。
NF膜分離需要的跨膜壓差一般為0.5-2.0MPa，比用反滲透膜達到同樣的滲透能量所必須施加的壓差低0.5-3Mpa。在同等的外加壓力下，納濾的通量要比反滲大得多，而在通量一定時，納濾所需的壓力則比反滲透的低很多。所以用納濾膜進行的膜分離過程中，溶液中各種溶質的截留庇有如下規律：
① 隨著摩爾質量的增加而增加；
② 在給定進料濃度的情況下，隨著跨膜壓差的增加而增加；
③ 在給定壓力的情況下，隨著濃度的增加而下降；
④ 對于陰離子來說，按NO3-、CI-、OH-、SO42-、CO42-順序上升。
⑤ 對于陽離子來說，按H+、Na+、K+、Ca2+、Cu2+順序上升。
經典模型
a.溶解--擴散原理：滲透物溶解在膜中，并沿著它的推動力梯度擴散傳遞，在膜的表面形成物相之間的化學平衡，傳遞的形式是：能量=濃度o淌度o推動力，使得一種物質通過膜的時候必須克服滲透壓力。
b.電效應：納濾膜與電解質離子間形成靜電作用，電解質鹽離子的電荷強度不同，造成膜對離子的截留率有差異，在含有不同價態離子的多元體系中，由于道南(DONNAN)效應，使得膜對不同離子的選擇性不一樣，不同的離子通過膜的比例也不相同。
納濾過程之所以具有離子選擇性，是由于在膜上或者膜中有負的帶電基團，它們通過靜電互相作用，阻礙多價離子的滲透。根據文獻說明，可能的荷電密度為0.5～2meq/g。
為此，我們可用道南效應加以解釋：
ηj=μjzj.f.φ
式中ηj——電化學勢；
μj——化學勢；
zj——被考查組分的電荷數；
f——每摩爾簡單荷電組分的電荷量；
φ——相的內電位，并且具有電壓的量綱。
式中的電化學勢不同于熟知的化學勢，是由于附加了zj.f.φ項，該項包括了電場對滲透離子的影響。利用此式，可以推導出體系中的離子分布，以計算出納濾膜的分離性能。
膜材質和主要產品
納濾膜的成膜材料基本上與反滲透材料相同。商品化納濾膜的膜材質主要有以下幾種：醋酸纖維素(CA)、磺化聚砜(SPS)、磺化聚醚砜(SPES)和聚乙烯醇(PVA)等。無機材料制備的納濾膜目前也已商品化。
納濾膜的制備工藝大致有以下幾種：相轉化法、稀溶液涂層法、界面聚合法、熱誘導相轉化法、化學改良法等，其中界面聚合法是制備納濾膜最常用的方法。無機材料納濾膜一般采用溶膠-混凝法制備。
表1所示是部分納濾膜的分離性能，可以看出，不同納濾膜的分離性能不完全相同。他們有一個共同點，即膜對單價離子的截留率低，對硫酸根和蔗糖的截留率高，膜對單價離子的截留率隨溶液濃度的增高而迅速下降。膜的這些特性受控于膜材料、膜結構形態和膜的表面性質等。
納濾膜組件
商業上的納濾膜組件大多為卷式組件，此外也有采用管式和中空纖維式的納濾膜組件。表2所示是部分納濾膜組件的性能。
納濾膜有2個特性：1、對不同有機物組分的分離性能，分子量的“切割”范圍約為200-1000；2、膜表面負電荷對不同電荷和不同價態陰離子的Donnan點位不一樣。納濾膜的獨特性能決定了它的應用范圍，適用于下述三種情況下的物質分離：1、對單價鹽分離的截留率要求不高；2、要求進行不同價態離子的分離；3、要求對高分子量有機物與低分子量有機物進行分離。
納濾膜的應用
納濾膜是介于反滲透膜和超濾膜之間的一種壓力驅動膜，是近年來國際上發展較快的膜品種之一。該類膜對多價離子和分子量在200以上的有機物的截留率較高，而對單價離子的截留率較低。反滲透膜脫除了所有的鹽和有機物，而超濾膜對鹽和低分子有機物沒有截留效果。納濾膜截留了糖類低分子有機物和多價鹽，對單價鹽的截留率僅為10%-80%左右，具有相當大的通透性，而二價及多價鹽的截留率均在50%-90%以上。由于單價鹽能自由透過納濾膜，所以膜兩側不同離子濃度所造成的滲透壓要遠低于反滲透膜。因此，納濾膜比反滲透膜所要求的操作壓力要低。
納濾膜對鹽的截留性能主要是由于離子與膜之間的靜電相互作用。鹽離子的電荷強度不同，膜對離子的截留率也有所不同。對于含有不同價態離子的多元體系，由于膜對各種離子的選擇性有異，根據道南效應不同離子透過膜的比例不同。當多價離子濃度達到一定值，單價離子的截留率甚至出現負值，即透過液中單價離子濃度大于料液濃度。納濾膜對中性物質（不帶電荷，如乳糖、葡萄糖、麥芽糖等）的截留則是根據膜的納米級微孔分子篩效應。
根據納濾膜的特性，其主要應用場合包括：
1）對單價鹽并不要求有很高的截留率；
2）欲實現不同價態的離子的分離；
3）欲實現高相對分子量與低相對分子量有機物的分離。
1、軟化水處理
對苦咸水進行軟化、脫鹽是納濾膜應用的最大市場。在美國目前已有超過40萬噸/日規模的納濾膜裝置在運轉，大型裝置多數分布在佛羅里達半島，其中最大的兩套裝置規模分別為3.8萬噸/日 ( 1989年 ) 和3.6萬噸/日 ( 1992年 )。
2、飲用水中有害物質的脫除
傳統的飲用水處理主要通過絮凝、沉降、砂濾和加氯消毒來去除水中的懸浮物和細菌，而對各種溶解性化學物質的脫除作用很低。隨著水源的環境污染加劇和各國飲水標準的提高，可脫除各種有機物和有害化學物質的"飲用水深度處理"日益受到人們的重視。目前的深度處理方法主要有活性碳吸附、臭氧處理和膜分離。膜分離中的微濾(NF)和超濾(UF)因不能脫除各種低分子物質，故單獨使用時不能稱之深度處理。納濾膜由于本身的性能特點，故十分適用于此用途的應用。美國食品與醫藥局曾用大型裝置證實了納濾膜脫除有機物、合成化學物的實際效果。日本也曾于1991～1996年組織國家攻關項目"MAC21"(Membrane Aqua Century21)開發膜法水凈化系統。該項目的前三年側重于微濾/超濾膜的固液分離，后三年重點開發以納濾膜為核心，以脫除砂濾法不能脫除的溶解性微量有機污染物為目的的飲水深度凈化系統。大量工業裝置的運行實踐表明，納濾膜可用于脫除河水及地下水中含有三鹵甲烷中間體THM(加氯消毒時的副產物為致癌物質)、低分子有機物、農藥、異味物質、硝酸鹽、硫酸鹽、氟、硼、砷等有害物質。
3、 中水、廢水處理
中水一般指將大型建筑物(賓館、寫字樓、商場等)中排出的生活污水處理后用于廁所沖洗等非飲用再利用水，在中水領域的膜利用，日本作了很多的工作。納濾膜在各種工業廢水的應用也很多實例，如造紙漂白廢水處理等。生活廢水中，納濾膜與生物處理(活性污泥)相結合也已進入實用階段。
4、食品、飲料、制藥行業
此領域中的納濾膜應用十分活躍，如各種蛋白質、氨基酸、維生素、奶類、酒類、醬油、調味品等的濃縮、精制。
5、化工工藝過程水溶液的濃縮、分離
如化工、染料的水溶液脫鹽處理。
