阳离子-π相互作用对有机/无机混合纳滤体系的影响

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纳滤膜的分离特性介于超滤膜及反渗透膜之间,其在医药、水处理、生物发酵等领域都得到了较为广泛的应用。然而在实际生产过程中遇到的有机/无机混合体系,溶质在纳滤过程中的截留率较单组份溶质低。人们已经研究总结出许多不同的机理来解释这类现象,如:溶胀效应、盐析效应、电滞效应、粘度的影响、分子偶极矩的影响等,这些机理虽然都在不同程度上解释了截留率变化的原因,却依然有少数现象,如低浓度的KCl/苯甲醇体系的纳滤过程中,KCl的截留率较单组份体系中的溶质低,无法用以上机理进行解释并预测。本文提出了一种新的机理——阳离子-π相互作用来对以上现象进行解释。同时由于圆盘式膜组件中浓差极化现象无法通过常规方法进行模拟,本文通过CFD模拟建立了一种新的方法来得到体系的真实截留率。  本文主要以DK膜为研究对象,首先通过CFD模拟计算出圆盘式膜组件中膜面切向流速,采用VVM方法对浓差极化层进行模拟,并进一步通过系统溶质的表观截留率外推得到真实截留率,最后采用DSPM-DE模型拟合得到的膜孔径、有效膜厚、荷电密度等参数。在圆盘式膜组件中,跨膜压差由于垂直于流体流动方向,对膜面流速的影响可忽略不计。因此在采用VVM方法进行计算的过程中跨膜压差和膜面切向流速可分开进行考虑,不需将压力分解后再使用VVM方法。浓差极化现象实际上是两种情况综合作用的结果:其一是膜面浓度的升高必然引起渗透测溶质浓度的升高,因此使得截留率降低;其二是随浓度升高Xd的升高说明浓差极化事实上引起了纳滤体系截留率的下降。在通量及膜面流速不变的条件下,浓差极化层厚度不变,体系中溶质浓度的升高会增强浓差极化现象。  其次,选择不同单盐(KCl、NaCl)以及它们分别与苯甲醇相混合的体系进行纳滤分离实验,实验考察了在有和没有苯甲醇存在的条件下电解质截留率的变化情况,实验结果表明:在相同条件下,电解质在混合溶液中的截留率明显小于其在纯溶液中截留率,且KCl/苯甲醇混合溶液中电解质截留率变化幅度要明显大于NaCl/苯甲醇混合溶液中电解质截留率变化情况;为了证实阳离子-π相互作用是导致电解质截留率降低的主要原因,采用甲醇、乙醇、异丙醇等与苯甲醇离解常数及分子偶极矩值相近的有机物与KCl混合进行纳滤实验,发现这两种影响因素对其中KCl截留率的影响都不足以造成体系中电解质截留率的变化;同时本课题引入了分子模拟理论中的“孔口效应”,解释了电解质截留率没有随阳离子-π相互作用形成新物质的水合半径较大而升高的现象。并且分子模拟理论同样佐证了阳离子-π相互作用在本课题中的合理性。对于本课题特定的阳离子-π相互作用导致阳离子Stokes半径变化的特殊情况,本课题采用优化过的DSPM-DE模型及VVM(Velocity Variation Method)对分离过程进行分析和预测。通过DSPM-DE模型拟合实验数据计算膜的荷电密度(Xd)以及阳离子Stokes半径的大小,进而研究了膜的荷电密度及其溶质半径的变化情况,结果表明:KCl和NaCl的截留率差值随着通量的升高及实验时间的延长越来越不明显;当电解质浓度不断升高,截留率差值也呈现出越来越不明显的现象,且拟合曲线也越来越接近于实验点;同时在稀浓度溶液中同离子吸附并没有占据主导地位,因此更易进入孔内的阳离子使得膜内荷电密度的绝对值降低。综上所述,本课题的研究可作为一种新的机理用于解释实际生产过程中截留率无法达到预期要求的情况。
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