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反渗透膜和纳滤膜结构和性能表征

不同结构的膜,其性能也各异,因此弄清膜的结构对指导制膜和了解膜的性能等是十分重要的。广泛应用的反渗透和纳滤膜多为不对称膜和复合膜。

(1)反渗透膜和纳滤膜结构表征 不同的膜,由于所用的材料、制备工艺和后处理等方面的不同,在结构上则各有差异,这主要有均相和异相、对称和不对称、致密和多孔、复合和一体之别,用扫描电镜可观测膜的横断面来确定。膜本身包括表层或超薄致密层、过渡层和支撑下层等,以及它们的厚度、孔径及其分布、孔的形状和孔隙率等,原子力显微镜适于薄膜表面形态和表层粗糙度的研究,正电子湮灭技术适于反渗透和纳滤膜表层纳米级孔的研究。

(2)反渗透膜和纳滤膜的性能表征

①纯水渗透系数Lp、反映系数σ和溶质渗透系数ω 这3个参数是反渗透膜内在性能的参数。Lp为单位时间、单位面积和单位压力下纯水的渗透量;σ为膜两侧无流动时,一侧渗透压和另一侧外压之比,是膜完美程度的标志之一;ω为膜两侧无流动时,溶质的渗透性,是膜完美程度的标志之一。

②纯水渗透性常数[PWP]、脱盐率f、水通量F和温度校正系数TCF 这4个参数是在反渗透工艺设计中常用的。纯水渗透性常数[PWP],表明膜对纯水的透过性,与Lp意义相近;脱盐率f,表明膜的脱除性能;水通量F,是在一定工艺条件下,单位膜面积、单位时间的渗透水量;温度校正系数,是在工作温度下的水通量与25℃下的水通量之比。

(3)结构和性能的关系

①对称和非对称结构 20世纪60年代非对称膜出现之前,多为数十微米厚的致密对称膜,对渗透通量的阻力很大,对分离过程无实用价值。非对称膜有效表层仅0.1~0.3μm,这样传递阻力小,使渗透通量有2~3个数量级的增加。非对称膜的缺点是在表层下有一会压密的过渡层,若其压密,则影响水通量。

②复合与非复合结构 复合膜的有效层极薄,一般为0.1~0.3μm厚,可以选择最优材料来制备,其支撑体也可优化而不易压密,所以复合膜是至今通量和脱盐等综合性能最好的,比非对称膜优异得多。

③荷电和非荷电 至今开发的反渗透和纳滤膜,大多数不同程度地带负电荷(少数带正电荷),这样在处理天然水时,不易被含量多的有机酸等污染,即使污染,也易于清洗。当然,亲水非荷电膜是优选的。

④表层粗糙度 20世纪60年代开发的早期的复合膜是表层十分光洁平整的,呈二维结构;而后开发的复合膜表面是一层细微的突起物,呈三维结构,从而使表面积成倍地增加,与之对应的水通量也同样增加。当然,耐污染性较差。


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