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有机相纳滤传递机理的研究

郑逢春  
【摘要】: 纳滤(NF)是介于反渗透(RO)与超滤(UF)之间的一种膜技术,已在水处理、食品、制药、化学工业等诸多领域得到广泛的工业应用。纳滤膜分离技术应用于有机相中时,被称为耐溶剂纳滤(SRNF),它具有传统分离技术(如蒸馏和结晶)不可比拟的优点:无需任何添加剂,分离过程无相变,在较温和的温度条件下操作物质不易失活和降解,在较低压力下就可回收有机溶剂,减轻了环境污染,并且可以显著降低能耗。尽管SRNF技术的优点很多,但是大规模的SRNF过程很少。与传统的水相NF过程相比,SRNF过程由于溶质—溶剂—膜间复杂的相互作用使其传递过程更难以预测,而且,溶剂和溶质通过有机相SRNF膜的传递是受粘性流机理还是扩散机理控制至今尚无定论。现有的传递模型的缺陷,以及缺乏普适性的传递膜型等问题都严重阻碍了SRNF技术的工业应用,因此,探讨有机相中的NF传递机理已经成为当前国内外学者的研究热点。 首先,本文选用SRNF疏水膜(STARMEMTM122膜),在SterlitechHP4750死端流膜分离装置中测定了8种有机溶剂的通量。鉴于溶剂通过SRNF膜的传递与溶剂的性质(如分子量、粘度、摩尔体积和介电常数等)和膜-溶剂间的相互作用(如膜-溶剂溶解度参数差、膜-溶剂表面张力差等)有关,本文采用相关分析方法,对文献中常用的各种溶剂参数和溶剂—膜间相互作用参数与23种溶剂通量数据的相关性进行了研究,发现溶剂的粘度、介电常数、膜—溶剂溶解度参数差和膜—溶剂表面张力差与通量具有较高的相关系数。因此,对于所研究的SRNF膜体系,可以确定这四个参数是影响膜通量的主要因素。 然后,在不完全溶解-扩散模型基础上,考虑这些参数对溶剂通量的影响,建立了一个新的半经验溶剂传递模型。为了验证新模型描述溶剂传递行为的普遍适用性,在多种纯溶剂体系和二元混合溶剂体系中,利用本文测定的通量数据以及文献数据,将新建模型和5种文献模型对溶剂渗透系数的预测性进行对比,发现对于不同膜体系中的全体溶剂,本模型都表现出很高的相关性,并且溶剂渗透系数的实验值与模型计算值的标准误差较小,说明本模型能很好地预测纯溶剂和二元混合溶剂通过疏水SRNF膜的传递过程。这些结果证明,新模型适用于不同疏水膜体系,而且粘性流-扩散机理可以很好地描述溶剂在疏水性耐溶剂纳滤膜中的传递过程。 在NF膜分离过程中,溶质分子的尺寸和形状显著影响着溶质的传递和截留特性。当利用纳滤截留模型去预测膜对溶质分子的截留率时,无论是通过致密膜的溶解—扩散模型还是通过多孔膜的孔流模型,都需要确定一些与溶质的分子尺寸相关的模型参数。现有的分子尺寸参数对于表征溶质在某个NF膜体系中的截留行为是有用的,但并不适于描述大范围膜体系中的溶质传递过程。本文考虑溶剂对溶质分子性质的影响,根据溶质分子的全优化构型计算得到了一个新的分子几何尺寸参数(“计算平均尺寸”),同时利用实验截留数据和文献数据,在不同的有机相和水相NF膜体系中,对新参数描述溶质截留行为的适用性进行了评价。 最后,本文选择了一系列分子量在116~228Da的中性乙酸酯类化合物(包括直链的、带支链的、带环己烷的和芳香乙酸酯)作为溶质,测定了它们在甲醇中通过三种SRNF膜(STARMEMTM122膜、STARMEMTM240膜和MPF-44膜)的截留数据;发现对于具有相近分子量而分子结构不同的溶质分子,直链的传递优于环状的,而带支链的具有最慢的传递速度。为了关联截留率与溶质的分子尺寸和形状之间的关系,将“计算平均尺寸”与8个常用的分子尺寸参数(包括分子量、Stokes直径、当量摩尔直径、经验有效直径、回转半径、“计算分子直径”、“分子长度”以及“分子宽度”)进行了对比分析,发现仅有“计算平均尺寸”与溶质在全部有机相和水相膜体系中的截留率显著相关。并且,通过对有机相和水相中的不同膜体系进行的相关和回归分析,证明了本文提出的“计算平均尺寸”是一个恰当的分子尺寸描述符,可以作为一个普遍适用的模型参数用在溶解—扩散模型中,并且能够很好地描述溶质在有机相和水相体系中的截留行为。


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