【杭州瑞納納濾膜設備】2013年3月29日訊。

    納濾類似于反滲透和超濾，均屬于壓力驅動的膜過程，但其傳質機理卻有所不同。一般認為，由于孔徑較大，傳質過程主要為孔流形式，而通常屬于無孔致密膜，溶解－擴散的傳質機理能成功解釋其截留性能。

    根據形式的不同，納濾模型分為：基于擴展Nernst－Planck方程的模型，如雜化模型等；基于Maxwell－Stefan傳遞方程的模型，如MS模型；根據熱力學和流體力學基本概念，另外建立通量公式的模型，如溶解－擴散模型、細孔模型等。

    根據分離對象的不同，目前的傳質機理可分成兩類：當對象為非電解質溶液時，其傳質模型不考慮電解質與膜表面電荷的靜電作用，主要有摩擦模型、空間位阻－孔道模型、溶解－擴散模型、不完全溶解－擴散模型和擴散－細孔流模型等；當納濾膜的分離對象為電解質溶液時，其傳質過程受膜表面電荷與電解質電荷作用的影響很大，此時靜電作用不能忽略，其代表性的傳質模型有固定電荷模型、空間電荷模型、靜電位阻模型和雜化模型等。

    空間位阻－孔道模型

    該模型假定多孔膜具有均一的細孔結構，溶質為具有一定大小的剛性球體，且圓柱孔壁對穿過其圓柱體的溶質的孔壁影響很小。該模型需知道膜的微孔結構和溶質大小,然后就可運用細孔模型計算出膜參數，從而得知膜的截留率與膜透過體積流速的關系。反之，如果已知溶質大小，并由其透過實驗得到膜的截留率與膜透過體積流速的關系從而求得膜參數，也可以借助于細孔膜型來確定膜的結構參數。在該模型中孔壁效應被忽略，僅對空間位阻進。

    膜過程的不可逆熱力學模型

    對于液體膜分離過程，其傳質現象通常用非平衡熱力學模型來表征。納濾膜分離過程與微濾、超濾、反滲透膜分離過程一樣，以壓力差為驅動力，其通量可以由非平衡熱力學模型建立的現象論方程式來表征，方程式中的系數被稱為膜的特征參數，膜特征參數可以通過關聯膜過濾實驗數據求得，如可根據純水透過實驗數據確定膜的純水透過系數。根據膜對單組分溶質的截留率隨溶劑透過通量變化的實驗數據關聯得到膜的反射系數和溶質透過系數。如果已知膜的結構特性，上述膜特征參數則可以根據數學模型來確定，從而無需進行實驗即可表征膜的傳遞分離機理。表述膜的結構特性與特征參數之間關系的數學模型有電荷模型、細孔模型等。

    溶解－擴散模型

    溶解－擴散模型。該模型假定溶質和溶劑溶解在無孔均質的膜表面層內，然后各自在化學位的作用下透過膜，溶質和溶劑在膜相中的擴散性存在差異，這些差異對膜通量的影響很大。該模型是以純擴散為基礎的模型，適用于水含量（容納量）低的膜。不完全的溶解－擴散模型。該模型是溶解－擴散模型的擴展，它把溶劑和溶質在微孔中的流動也包括進去。該模型承認在膜的表面存在不完善、不完美之處（缺點、孔），溶劑和溶質可通過它們流過。

    擴展的Nernst－Plank 方程模型

    擴展的Nernst－Plank方程用于描述離子通過荷電膜的傳遞。該模型忽略加壓擴散的局部相關性，同時認為膜內各種離子滿足電中性條件，它是納濾法處理含鹽溶液過程中傳質的基礎，但因在模型中涉及十幾個參數，無法得到準確定量值，即使是簡單的二元混合物在等溫情況下也含七個參數，難以求解，因而很少應用。但利用該模型可定性地了解傳質過程中的特點和分離趨勢。

    Donnan 平衡模型

    將荷電基團的膜置于鹽溶液時，溶液中的反離子在膜內的濃度大于其在主體溶液中的濃度，而同名離子在膜內的濃度低于其在主體溶液中的濃度。由此形成了Donna位差，阻止了同名離子從主體溶液向膜內的擴散。為了保持電中性，反離子同時被膜截留。該模型是把截留率看作膜的電荷容量、進料液中溶質的濃度以及離子的荷電數的函數來進行預測的，但沒考慮擴散和對流的影響，而這些作用在真實的荷電膜中的影響不容忽視。

    靜電排斥和立體位阻模型

    該模型既考慮了細孔模型所描述的膜微孔對中性溶質大小的位阻效應，又考慮了固體電荷所描述的膜的帶電特性對離子的靜電排斥作用，因而該模型能夠根據膜的帶電細孔結構和溶質的帶電性及大小來推測膜對帶電溶質的截留性能。為了檢驗該模型，Wang等[11]選擇幾種有機電解質作為示蹤劑加入到氯化鈉溶液中，進行了數種品牌納濾膜的透過實驗。實驗數據結果與模型預測結果吻合較好，因此靜電排斥和立體位阻模型可以較好地描述納濾膜的分離機理。

    電荷模型

    據對膜內電荷及電勢分布情形的不同，電荷模型分為空間電荷模型和固定電荷模型。空間電荷模型最早由Osterle等提出，該模型假設膜由孔徑均一而且其壁面上電荷均勻分布的微孔組成，微孔內的離子濃度和電場電勢分布、離子傳遞和流體流動分別由Poisson－Boltzmann方程、Nernst－Plank方程和NavierStokes方程等來描述。空間電荷模型是表征電解質及離子在荷電膜內的傳遞及動電現象的較為理想的模型。Ruckenstein等運用空間電荷模型進行了電解質溶液滲透過程的溶劑（水）滲透通量、離子截留率及電氣粘度的數值計算等，討論了膜的結構參數及電荷密度等影響因素。Anderson等根據空間電荷模型對微孔荷電膜的動電現象進行了較為詳細的數值計算，并對根據雙電層理論推導的膜的表面Zeta電位與膜的流動電位關聯方程Helmholtz－smoluchowsk式的適用范圍進行了討論。Smit等將空間電荷模型與非平衡熱力學模型相結合，從理論上描述了反滲透過程中荷電膜膜內離子的傳遞現象。但是由于運用空間電荷模型時,需要對Poisson－Boltzman方程等進行數值求解，其計算工作十分繁重，因此它的應用受到了一定的限制。

    在固定電荷模型中，假設膜相是一個凝膠層而忽略膜的微孔結構，膜相中電荷分布均勻，僅在膜面垂直方向因Donnan效應和離子遷移存在一定的電勢分布和離子濃度分布。該模型的特點是數學分析簡單，未考慮結構參數（如孔徑），假定固定電荷在膜中分布是均勻的，有一定的理想性。當膜的孔徑較大時，固定電荷、離子濃度以及電位均勻分布的假設不能成立，因而固定電荷模型的應用受到一定限制。