纳滤膜流动电位的实验研究

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1、纳滤膜流动电位的实验研究*马准王铎汪锰苏保卫高从堦中国海洋大学化学化工学院海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室山东青岛266100摘要：对DK纳滤膜在KCl、CaCl2、MgSO4和Na2SO4等不同的电解质溶液中的流动电位进行了实验研究。并且根据Helmholtz-Smoluchowski方程Gouy-Chapman模型估算出DK纳滤膜的ζ电位和电荷密度，结果表明，电解质浓度、离子种类及价态对膜的流动电位、ζ电位和电荷密度均具有重要的影响。关键词:纳滤膜；流动电位；ζ电位；电荷密度由于纳滤膜特殊的孔径及荷电化,其分离原理，除了中性

2、膜的物理筛分效应之外，还有独特的静[1]电吸附和排斥作用。纳滤膜的荷电性使其能分离不同离子价态或分离相对分子质量相近而荷电性能不同的组分。所以荷电性能成为评价膜的重要指标，而流动电位的测量又是评价膜荷电性能大小的重[2-5][4]要方法。JohanSchaep等研究了UTC20等四种纳滤膜在不同电解质溶液、不同的离子强度下的流[6]动电位，得到相应的ζ电位分析膜表面荷电分布与溶液性质、截留机理的关系；JMMPeeters用流动电位法评价NF45和ASP35纳滤膜,考察了盐的种类和浓度对膜的ζ电位以及表面电荷密度的影[7]响。因此有关膜

3、动电现象的研究已得到膜科学及界面科学等学术界的广泛关注。[8,9]本文通过测定DK纳滤膜的流动电位，根据H-S方程和GC模型估算膜的ζ电位和电荷密度,探讨流动电位、ζ电位和电荷密度与电解质种类和浓度的关系，并对其变化规律进行了讨论。1理论部分膜表面ζ电位与流动电位△E之间的关系由H-S方程式来表达：d()ΔEε0εrζβ==d()ΔPμκ(1)式中κ、μ是电解质溶液电导率、粘度，εr、ε0是相对介电常数、真空介电常数。β是流动电位系数，从β值的正负可以判断出荷电膜的正负电性。根据方程(1)，可以由测定的流动电位求算出膜的ζ电位。再根据

4、GC双电层模型可以计算膜表面电荷密度(σ)。5.0⎧⎪⎡⎛zieζ⎞⎤⎫⎪σ=⎨2εrε0κBT∑CiNA⎢exp⎜⎜−⎟⎟−1⎥⎬（2）⎪⎩i⎣⎝kBT⎠⎦⎪⎭式中，Ci是电解质溶液中离子i的浓度，zi是离子i的价态，e是电子电荷，F是法拉第常数，kB是玻尔兹曼常数，NA阿伏加德罗常数，T是绝对温度（K）。*资助项目：国家高技术研究发展计划项目(2006AA09Z337)，国家自然科学基金项目(20606025和20706050)。通讯联系人：王铎E-mail：wangduo@ouc.edu.cn12实验部分2.1实验流程2.2实验

5、仪器及药品实验用DK型纳滤膜（美国GE公司），参比电极为饱和甘汞电极和DDS-11A数显电导率仪（上海雷磁新泾仪器有限公司），78-1型磁力加热搅拌器（杭州仪表电机厂），Delta320PH计（梅特勒－托利多仪器有限公司），流动电位测定仪（如图1所示）主要试剂KCl、MgSO4、Na2SO4和CaCl2均为分析纯，其浓度范围为0.010～0.30mol/L。2.3实验步骤将膜装在流动电位测定仪上，注入溶液，调节压力阀改变跨膜压差，使其由高压向低压递减，待流量、电位稳定时读数。改变溶液的种类和浓度，测定DK膜的流动电位。本实验的溶液的温

6、度为（25±1）℃,PH值为6.5±0.1。3结果与讨论3.1跨膜压差ΔP对流动电位△E的影响由图2可知：DK纳滤膜是荷负电的膜，在相同的浓度下，DK膜流动电位△E值随跨膜压差△P的增大而增大，两者呈线性关系。随着电解质溶液浓度的升高，△E和流动电位系数β的绝对值都减小，这是由于当溶液中离子浓度过高时，膜面边界层的道南效应减弱，膜两侧的电解质溶液离子的浓度差2减小，溶液中离子浓度在一定压力下变化较小，导致流动电位的降低，从而使β也减小。在低浓度下，Na2SO4溶液中流动电位的绝对值比MgSO4溶液中的大，变化也较快,这是由于两种溶液中

7、阳离子所带电荷数相同，而钠离子半径小于镁离子半径，离子半径越小形成的Stern层越紧密，稳定性则越高，吸附反离子能力也越高，从而使膜流动电位增大，由此不难发现阳离子的半径对膜流动电位大小的测定有着很大的影响。00-4-30-8DK-KCl-60DK-NaSO0.010mol/L/mv0.010mol/L24E/mvEΔ-120.050mol/LΔ-900.050mol/L0.10mol/L0.10mol/L-160.20mol/L0.20mol/L-1200.30mol/L0.30mol/L-200.00.10.20.30.40.50

8、.00.10.20.30.40.5ΔP/MPaΔP/MPa00-30-20-600.010mol/LDK-NaSO/mv-400.010mol/L24E/mv0.050mol/LEΔ0.050mol/LΔDK-MgSO-