演示文稿功能高分子材料第三章高分子分離膜

演示文稿功能高分子材料第三章高分子分離膜當(dāng)前第1頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)（優(yōu)選）功能高分子材料第三章高分子分離膜當(dāng)前第2頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)3.1概述一、膜分離技術(shù)發(fā)展簡史1748年，耐克特發(fā)現(xiàn)水能自動地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。1861年，施密特首先提出了超過濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾時(shí)，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。（現(xiàn)代觀點(diǎn)稱為微孔過濾）當(dāng)前第3頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，米切利斯等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水-丙酮-溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過濾膜。美國Amicon公司首先將這種膜商品化。50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。當(dāng)前第4頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

自上世紀(jì)60年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（簡稱UF膜）、微孔過濾膜（簡稱MF膜）和反滲透膜（簡稱RO膜）。在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)—步提高。具有分離選擇性的人造液膜是馬丁（Martin）在60年代初研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。當(dāng)前第5頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)二、膜分離的特點(diǎn)

膜分離過程是一個(gè)高效、環(huán)保的分離過程，它是多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，它在物理、化學(xué)和生物性質(zhì)上可呈現(xiàn)出各種各樣的特性，具有較多的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的分離技術(shù)如蒸餾、離心、重結(jié)晶、萃取分離等相比，膜分離技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1、高效的分離過程

它可以做到將相對分子量為幾千甚至幾百的物質(zhì)進(jìn)行分離（相應(yīng)的顆粒大小為納米級）。當(dāng)前第6頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)2、低能耗

因?yàn)榇蠖鄶?shù)膜分離過程都不發(fā)生相的變化，相變化的潛熱是很大的。傳統(tǒng)的冷凍、萃取和蒸餾等分離過程是發(fā)生相的變化，通常能耗比較高。3、接近室溫的工作溫度

多數(shù)膜分離過程的工作溫度在室溫附近，因而膜本身對熱過敏物質(zhì)的處理就具有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前，尤其是在食品加工、醫(yī)藥工業(yè)、生物技術(shù)等領(lǐng)域有其獨(dú)特的推廣應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前第7頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

4、品質(zhì)穩(wěn)定性好

膜設(shè)備本身沒有運(yùn)動的部件，工作溫度又在室溫附近，所以很少需要維護(hù)，可靠度很高。它的操作十分簡便，而且從設(shè)備開啟到得到產(chǎn)品的時(shí)間很短，相比傳統(tǒng)工藝可顯著縮短生產(chǎn)周期。

5、連續(xù)化操作

膜分離過程可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作過程，滿足工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)際需要。

當(dāng)前第8頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)6、靈活性強(qiáng)

膜分離裝置可以直接插入已有的生產(chǎn)工藝中，易與其它分離過程結(jié)合，方便進(jìn)行原有工藝改建和上下工藝整和。7、純物理過程

膜分離是純物理過程，不會發(fā)生任何的化學(xué)變化，更不需要外加任何物質(zhì)，如助濾劑、化學(xué)試劑等。8、環(huán)保

膜分離設(shè)備制作材質(zhì)清潔、環(huán)保，工作現(xiàn)場清潔衛(wèi)生，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。

當(dāng)前第9頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

三、高分子分離膜定義及分類

1、定義

在一個(gè)流體相內(nèi)或兩個(gè)流體相之間有一薄層凝聚相物質(zhì)能把流體相分隔開來成為兩部分，這一凝聚相物質(zhì)稱為分離膜。膜的形式可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。被膜分割的流體物質(zhì)可以是液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的。膜至少具有兩個(gè)界面，膜通過這兩個(gè)界面與被分割的兩側(cè)流體接觸并進(jìn)行傳遞。分離膜對流體可以是完全透過性的，也可以是半透過性的，但不能是完全不透過性的。

當(dāng)前第10頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

膜分離技術(shù)是利用膜對混合物中各組分的選擇滲透性能的差異來實(shí)現(xiàn)分離、提純和濃縮的新型分離技術(shù)。分離的類型包括同種物質(zhì)按不同大小尺寸的分離；異種物質(zhì)的分離；不同物質(zhì)狀態(tài)的分離等。在化工單元操作中，常見的分離方法有篩分、過濾、蒸餾、蒸發(fā)、重結(jié)晶、萃取、離心分離等。然而，對于高層次的分離，如分子尺寸的分離、生物體組分的分離等，采用常規(guī)的分離方法是難以實(shí)現(xiàn)的，或達(dá)不到精度，或需要損耗極大的能源而無實(shí)用價(jià)值。當(dāng)前第11頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

具有選擇分離功能的高分子材料的出現(xiàn)，使上述的分離問題迎刃而解。膜分離過程的主要特點(diǎn)是以具有選擇透過性的膜作為分離的手段，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分子尺寸的分離和混合物組分的分離。實(shí)踐證明，當(dāng)不能經(jīng)濟(jì)地用常規(guī)的分離方法得到較好的分離時(shí)，膜分離作為一種分離技術(shù)往往是非常有用的。并且膜技術(shù)還可以和常規(guī)的分離方法結(jié)合起來使用，使技術(shù)投資更為經(jīng)濟(jì)。

當(dāng)前第12頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

近二三十年來，膜科學(xué)和膜技術(shù)發(fā)展極為迅速，目前已成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技和人民日常生活中不可缺少的分離方法，越來越廣泛地應(yīng)用于化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、電子、電力、冶金、輕紡、海水淡化等領(lǐng)域。膜分離過程的推動力有濃度差、壓力差和電位差等。當(dāng)前第13頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)2、分類（1）按膜的材料分類

類別膜材料舉例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等當(dāng)前第14頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)（2）按結(jié)構(gòu)分類對稱膜致密膜（均質(zhì)膜）不對稱膜多孔膜（3）按膜的分離原理和推動力的不同分類微孔過濾膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。（4）按宏觀形態(tài)分類平板膜、管狀膜、中空纖維膜等。當(dāng)前第15頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)均質(zhì)膜：沒有宏觀的孔洞，某些氣體和液體的透過是通過分子在膜中的溶解和擴(kuò)散運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的；多孔膜：有固定的孔洞，依據(jù)不同的孔徑對物質(zhì)進(jìn)行截留來實(shí)現(xiàn)分離過程的。對稱膜：厚度在10-200um之間，傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定；不對稱膜：厚度在的致密皮層和50-150um厚的多孔亞層構(gòu)成，傳質(zhì)阻力主要或完全由很薄的皮層決定。當(dāng)前第16頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)PVDF膜的SEM圖當(dāng)前第17頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)加入ZnO納米粒子的PVDF膜的SEM圖當(dāng)前第18頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)加入ZnO納米粒子的PVDF膜的SEM圖當(dāng)前第19頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)（2）按結(jié)構(gòu)分類對稱膜致密膜（均質(zhì)膜）不對稱膜多孔膜（3）按膜的分離原理和推動力的不同分類微孔過濾膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。（4）按宏觀形態(tài)分類平板膜、管狀膜、中空纖維膜等。當(dāng)前第20頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

（5）按功能分類

日本著名高分子學(xué)者清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃榉蛛x功能膜（包括氣體分離膜、液體分離膜、離子交換膜、化學(xué)功能膜）、能量轉(zhuǎn)化功能膜（包括濃差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、機(jī)械能轉(zhuǎn)化膜、電能轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜）、生物功能膜（包括探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜）等。當(dāng)前第21頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

四、膜分離過程及膜組件膜分離過程可以是主動的如滲透，也可以是被動的，此時(shí)的推動力可以是壓力差、濃度差、電位差等。從膜的化學(xué)性質(zhì)來看可以是中性的，也可以使帶電的。在這些過程中，膜并不直接用于分離中，而需要將一定面積的膜裝填到某種開放式或封閉的殼體空間內(nèi)構(gòu)造成一定形式的結(jié)構(gòu)單元，即膜組件。

當(dāng)前第22頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)中空纖維膜組件當(dāng)前第23頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)當(dāng)前第24頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)第一道：前置雜質(zhì)過濾系統(tǒng)經(jīng)過5μm的前置PP系統(tǒng)，過濾毛發(fā)、泥沙、鐵銹、膠體物及顆粒較大的物質(zhì)；第二道：顆?；钚蕴肯到y(tǒng)吸附并去掉自來水中的氯，水溶性重金屬及其他無機(jī)物質(zhì)，降低鈣、鎂、離子水體硬度，延長并提高RO逆滲透系統(tǒng)濾材壽命；第三道：高密度燒結(jié)活性炭系統(tǒng)消除余氯、懸浮物、鐵銹、農(nóng)藥等有機(jī)物質(zhì)，保護(hù)RO膜，使之能夠更好的發(fā)揮作用；第四道：RO逆滲透系統(tǒng)美國高科技的RO逆滲透膜，去除重金屬離子雜質(zhì)，有效去除過濾性病毒及細(xì)菌等有害物質(zhì)：第五道：后置活性炭系統(tǒng)高密度活性炭（T33）提高和增加活凈水口感，使水質(zhì)更加甘甜可口，補(bǔ)充人體所需微量元素和礦物質(zhì)。

當(dāng)前第25頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)開發(fā)膜組件的幾個(gè)基本要求：適當(dāng)均勻的流動，無靜水區(qū)；具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；裝填密度大；制造成本低；易于清洗；更換膜的成本低；壓力損失小。當(dāng)前第26頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

3.2高分子分離膜的分離原理最重要的兩個(gè)指標(biāo)：

透過性：測定物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)透過單位面積分離膜的絕對值；

選擇性：在同等條件下測定物質(zhì)透過量與參考物質(zhì)透過量之比。當(dāng)前第27頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

各種物質(zhì)與膜的相互作用不一致，其分離作用主要依靠過篩作用和溶解擴(kuò)散作用。

過篩作用：類似于物理過篩過程，被分離物質(zhì)能否通過篩網(wǎng)取決于物理粒徑尺寸和網(wǎng)孔的大小。

溶液擴(kuò)散作用：當(dāng)膜材料對某些物質(zhì)具有一定溶解能力時(shí)，在外力作用下被溶解物質(zhì)能夠在膜中擴(kuò)散運(yùn)動，從膜的一側(cè)擴(kuò)散到另一側(cè)，再離開分離膜。當(dāng)前第28頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)表3-2幾種主要分離膜的分離過程膜過程推動力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型微濾0.1-10μm壓力差顆粒大小形狀水、溶劑溶解物懸浮物顆粒纖維多孔膜超濾2-100nm壓力差分子特性大小形狀水、溶劑小分子膠體和超過截留分子量的分子非對稱性膜納濾0.5-5nm壓力差離子大小及電荷水、一價(jià)離子、多價(jià)離子有機(jī)物復(fù)合膜反滲透壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑溶質(zhì)、鹽非對稱性膜復(fù)合膜高分子分離膜的分離原理

主要是篩分原理，以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶質(zhì)分子，也可以用于氣體的分離。當(dāng)前第29頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)膜過程推動力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型滲析濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞低分子量物、離子溶劑非對稱性膜電滲析電位差電解質(zhì)離子的選擇傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)離子交換膜氣體分離濃度差氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽難滲透性氣體或蒸汽均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜滲透蒸發(fā)濃度差選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜液膜分離濃度差反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)溶劑乳狀液膜、支撐液膜續(xù)上表當(dāng)前第30頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)3.3高分子分離膜材料

用作分離膜的材料包括天然的和人工合成的有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料。原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。當(dāng)前第31頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。當(dāng)前第32頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

一、纖維素衍生物類纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1,4-β連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。當(dāng)前第33頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。

C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH當(dāng)前第34頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一，性能穩(wěn)定。但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。為了改進(jìn)其性能，進(jìn)一步提高分離效率和透過速率，可采用各種不同取代度的醋酸纖維素的混合物來制膜，也可采用醋酸纖維素與硝酸纖維素的混合物來制膜。此外，醋酸丙酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、再生纖維素也是很好的膜材料。纖維素酯類材料易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。當(dāng)前第35頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

二、聚砜類

聚砜結(jié)構(gòu)中的特征基團(tuán)為聚砜類樹脂常用的制膜溶劑有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜等。聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為1～13，最高使用溫度達(dá)120℃，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。當(dāng)前第36頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)這類樹脂中，目前的代表品種有：當(dāng)前第37頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)三、聚酰胺類及聚酰亞胺類早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍-4、尼龍-66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分離率在80％～90％之間，但透水率很低，僅0.076ml/cm2·h。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，pH適用范圍為3～11，分離率可達(dá)99.5％（對鹽水），透水速率為0.6ml/cm2·h。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有較高要求。當(dāng)前第38頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

DuPont公司生產(chǎn)的DP-I型膜即為由此類膜材料制成的，它的合成路線如下式所示：當(dāng)前第39頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

類似結(jié)構(gòu)的芳香族聚酰胺膜材料還有：當(dāng)前第40頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。聚酰亞胺溶解性差，制膜困難，因此開發(fā)了可溶性聚酰亞胺，其結(jié)構(gòu)為：當(dāng)前第41頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

四、聚酯類

聚酯類樹脂強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好，耐熱、耐溶劑和耐化學(xué)品的性能優(yōu)良。

聚碳酸酯聚四溴碳酸酯聚酯無紡布當(dāng)前第42頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

五、聚烯烴類

低密度聚乙烯和聚丙烯薄膜通過拉伸可以制造微孔濾膜。

高密度聚乙烯通過加熱燒結(jié)可以制成微孔濾板或?yàn)V芯，也可以作為分離膜的支撐材料。聚4-甲基1-戊烯已作為氧、氮分離的新一代膜材料。當(dāng)前第43頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)六、乙烯基類高聚物用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。當(dāng)前第44頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)七、有機(jī)硅聚合物八、含氟聚合物九、甲殼素類十、高分子合金膜十一、液晶復(fù)合高分子膜當(dāng)前第45頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)3.4高分子分離膜的制備方法制備方法最實(shí)用膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。只制備多孔膜燒結(jié)法拉伸法徑跡蝕刻法相轉(zhuǎn)化法復(fù)合膜化法當(dāng)前第46頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

方法簡單

只能制備微濾膜

孔隙率低，10%-20%將聚合物的微粒通過燒結(jié)形成多孔膜。聚合物的微粒外表面軟化固化粘結(jié)≤熔融溫度冷卻1、燒結(jié)法超高分子量PE、高密度PE、PP當(dāng)前第47頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

由部分結(jié)晶的聚合物膜經(jīng)拉伸后在膜內(nèi)形成微孔。部分結(jié)晶聚合物拉伸非晶區(qū)斷裂成孔晶區(qū)為骨架

孔隙率遠(yuǎn)高于燒結(jié)法生產(chǎn)效率高制備方法容易價(jià)格低孔徑大小容易控制，分布均勻關(guān)鍵技術(shù)：半晶態(tài)聚合物的合成2、拉伸法當(dāng)前第48頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)浸蝕液徑跡高能粒子高分子膜高活性鏈端徑跡處高分子鏈斷裂徑跡擴(kuò)大微孔膜

膜孔貫穿呈圓柱狀孔徑分布可控，分布極窄孔隙率低3、徑跡蝕刻法當(dāng)前第49頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)聚合物溶劑添加劑均質(zhì)制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗后處理膜特點(diǎn)：可制備多孔膜，也可制備致密膜大多數(shù)的工業(yè)用膜采用相轉(zhuǎn)化法制備關(guān)鍵技術(shù)均一溶液的制備控制相轉(zhuǎn)化的過程以控制膜的形態(tài)4、相轉(zhuǎn)化法當(dāng)前第50頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)先制備多孔支撐膜，

制備致密膜，兩種膜用機(jī)械法復(fù)合；將第二種聚合物溶液滴加在多孔膜表面；將制備第二種聚合物的單體溶液沉積在多孔膜表面，等離子體引發(fā)聚合；在多孔膜表面沉積一層縮聚單體，與另一雙官能團(tuán)單體縮聚。5、復(fù)合膜化法當(dāng)前第51頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)6.高分子分離膜制備的新方法1、高濕度誘導(dǎo)相分離制備微孔膜2、超臨界二氧化碳制備聚合物微孔膜3、自組裝制備分離膜當(dāng)前第52頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)3.5典型的膜過程及應(yīng)用分離膜的主要用途：利用膜對不同物質(zhì)的透過性不同對混合物分離。半透性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對被分離物質(zhì)的透過性（透過率）對不同物質(zhì)的選擇性透過（選擇性）當(dāng)前第53頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)膜阻力驅(qū)動力壓力差濃度差（梯度）電位差（電場驅(qū)動）矛盾膜上游

透膜

膜下游膜阻力驅(qū)動力當(dāng)前第54頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)阻礙性透過性選擇性膜的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、孔徑被分離物質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、體積不同物質(zhì)在同一張膜上透過性差異當(dāng)前第55頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)驅(qū)動力濃度差

電位差氣體分離滲透蒸發(fā)透析電滲析膜電解

壓力差微濾超濾納濾反滲透當(dāng)前第56頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)一、壓力差驅(qū)動

微濾、超濾、納濾和反滲透分離類似于過濾，用以分離含溶解的溶質(zhì)或懸浮微粒的液體。

1)

微濾(MF)2)超濾(UF)3)納濾(NF)4）反滲透(RO)當(dāng)前第57頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)1、微濾

微濾：當(dāng)壓力推動流體透過膜或其他過濾介質(zhì)，從流體中分離微米大小的粒子時(shí)，這個(gè)過程為微濾。原理：在壓力差的作用下，利用膜的孔徑的大小對微粒進(jìn)行機(jī)械篩分和截留。孔徑：0.025~10m；推動力為0.01~0.2MPa微孔膜：均勻多孔薄膜，厚度90~150m當(dāng)前第58頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)微孔膜的優(yōu)點(diǎn)：孔徑均勻，過濾精度高；孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％-80％。膜很薄，阻力小，過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍；無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90-150μm之間，因而吸附量很少；無介質(zhì)脫落、均一的高分子材料，過濾時(shí)沒有纖維或碎屑脫落，能得到高純度濾液。微孔膜的缺點(diǎn)：

顆粒容量較小，易被堵塞。當(dāng)前第59頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)微濾的應(yīng)用

（1）

微粒和細(xì)菌的過濾

可用于水的高度凈化、食品和飲料的除菌、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。

（2）微粒和細(xì)菌的檢測

微孔膜可作為微粒和細(xì)菌的富集器，從而進(jìn)行微粒和細(xì)菌含量的測定。

(3)氣體、溶液和水的凈化

大氣中懸浮的塵埃、纖維、花粉、細(xì)菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。當(dāng)前第60頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

(4)食糖與酒類的精制

對食糖溶液和酒類進(jìn)行過濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類的清澈度，延長存放期。(5)藥物的除菌和除微粒

熱壓法滅菌時(shí)，細(xì)菌的尸體仍留在藥品中。對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。微孔膜有突出的優(yōu)點(diǎn)，細(xì)菌被截留，無細(xì)菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥物的受熱破壞和變性。

(6)

許多液態(tài)藥物如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的過濾技術(shù)難以達(dá)到要求，必須采用微濾技術(shù)。當(dāng)前第61頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)2、超濾

超濾：按分子大小而去除的壓力推動膜過程。原理：篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過膜上的微孔，而大于孔徑的微粒則被截留；孔徑：2~50nm；截留物質(zhì)：能夠截留分子量500~500,000的物質(zhì)。糖、生物分子、高分子聚合物、膠體物質(zhì)；操作壓力：0.1~0.5MPa；膜材料：聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素。當(dāng)前第62頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

超濾膜：不對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。性能主要取決于表面活性層和過渡層。超濾膜表面活性層：致密光滑，厚度0.1-1.5μm，細(xì)孔孔徑小于10nm過渡層：細(xì)孔大于10nm，厚度1-10μm支撐層：厚度50-250μm，孔徑大于10nm。起支撐作用，提高機(jī)械強(qiáng)度當(dāng)前第63頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)超濾膜技術(shù)應(yīng)用超濾技術(shù)主要用于含分子量500-500,000的微粒溶液的分離，是目前應(yīng)用最廣的膜分離過程之一，應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化。(1)純水的制備

超濾技術(shù)廣泛用于水中的細(xì)菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無菌水等。(2)食品工業(yè)

在牛奶加工廠中用超濾技術(shù)可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。當(dāng)前第64頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)(3)汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理

汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有1％-2％的涂料（高分子物質(zhì)），用超濾裝置可分離出清水重復(fù)用于清洗，同時(shí)又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。(4)

果汁、酒等飲料的消毒與澄清應(yīng)用超濾技術(shù)可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質(zhì)，使果汁和酒在凈化處理的同時(shí)保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。(5)

在醫(yī)藥和生化工業(yè)中

處理熱敏性物質(zhì)，分離濃縮生物活性物質(zhì)，從生物中提取藥物等。當(dāng)前第65頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)3、反滲透以壓力差為推動力，功能是截留離子物質(zhì)而僅透過溶劑。當(dāng)前第66頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)無機(jī)鹽溶液的滲透壓很高，含1g/l氯化鈉的天然水，滲透壓為0.07MPa，含35g/l氯化鈉的海水，滲透壓為2.5MPa。反滲透將料液分成兩部分：透過膜的是含溶質(zhì)很少的溶劑，稱為滲透液；未透過膜的液體，溶質(zhì)濃度增高，稱為濃縮液。分離物質(zhì)的分子量：一般小于500，操作壓力為2-100MPa。當(dāng)前第67頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)反滲透膜：

高操作壓力：2-100MPa；要求膜必須有高透水率，高脫鹽率；耐一定的酸堿、耐微生物、耐壓；大部分為不對稱膜，孔徑小于0.5nm，可截留溶質(zhì)分子。形狀：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纖維膜主要膜材料：醋酸纖維素、芳香聚酰胺、聚砜當(dāng)前第68頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)

反滲透過程已成功使用30多年，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全世界所有淡化過程生產(chǎn)1.15×107m3/d的飲用水中，反滲透占23.4%。優(yōu)點(diǎn)：能耗和投資運(yùn)行費(fèi)用低，占地小，設(shè)備腐蝕輕，易建造、操作、維修，建廠時(shí)間短。海水淡化在沙特至少有6套，產(chǎn)水2300-57000m3/d，苦咸水淡化13套，3500-53000m3/d。反滲透技術(shù)的應(yīng)用（1）海水、苦咸水的淡化當(dāng)前第69頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)（2）在醫(yī)藥、食品工業(yè)中用以濃縮藥液、果汁、咖啡浸液等。

與常用的冷凍干燥和蒸發(fā)脫水濃縮等工藝比較，反滲透法脫水濃縮成本較低，而且產(chǎn)品的風(fēng)味和營養(yǎng)不受影響。（3）印染、食品、造紙等工業(yè)中

用于處理污水，回收利用廢液中有用的物質(zhì)等。當(dāng)前第70頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)MF：溶液中直徑0.1-10μm的粒子RO：Mw<500的小分子物質(zhì)UF：Mw>500的大分子或極細(xì)的膠體粒子分界不嚴(yán)格，互相重疊。新型的NF正好介于UF和RO之間，截流分子量大概在300-1000。反滲透與微濾、超濾的區(qū)別當(dāng)前第71頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)4、納濾近年來，微濾、超濾、反滲透之間出現(xiàn)相互重疊的傾向，反滲透和超濾之間出現(xiàn)交叉，這就是納濾。

納濾恰好填補(bǔ)了超濾與反滲透之間的空白，它能截留透過超濾膜的那部分小分子量的有機(jī)物，透析被反滲透膜所截留的無機(jī)鹽。當(dāng)前第72頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)納濾膜是八十年代在反滲透復(fù)合膜基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，是超低壓反滲透技術(shù)的延續(xù)和發(fā)展分支，早期被稱作低壓反滲透膜或松散反滲透膜。目前，納濾膜已從反滲透技術(shù)中分離出來，成為獨(dú)立的分離技術(shù)。納濾膜主要用于截留粒徑在0.1～1nm，分子量為1000左右的物質(zhì)，可以使一價(jià)鹽（如NaCl）和小分子物質(zhì)透過，具有較小的操作壓（0.5～1MPa）。當(dāng)前第73頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)納濾技術(shù)的應(yīng)用

(1)納濾技術(shù)最早也是應(yīng)用于海水及苦咸水的淡化方面。由于該技術(shù)對低價(jià)離子與高價(jià)離子的分離特性良好，因此在硬度高和有機(jī)物含量高、濁度低的原水處理及高純水制備中頗受矚目；

(2)在食品行業(yè)中，納濾膜可用于果汁生產(chǎn)，大大節(jié)省能源；

(3)在醫(yī)藥行業(yè)可用于氨基酸生產(chǎn)、抗生素回收等方面；

(4)在石化生產(chǎn)的催化劑分離回收等方面更有著不可比擬的作用。當(dāng)前第74頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)微濾超濾納濾反滲透細(xì)菌、病毒等蛋白質(zhì)、酶、多肽等抗生素、合成藥、染料、二糖等無機(jī)鹽類（NaCl、KCl）水當(dāng)前第75頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)二、濃度差驅(qū)動氣體分離膜滲透蒸發(fā)膜透析分子主動從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)轉(zhuǎn)移的自發(fā)趨勢。當(dāng)前第76頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)1、氣體分離膜分離機(jī)理致密膜：沒有宏觀的孔洞，溶解-擴(kuò)散作用多孔膜：有固定孔洞，孔徑，篩分膜材料H2的分離：醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺等。O2的分離富集：聚二甲基硅氧烷及其改性產(chǎn)品和含三甲硅烷基的高分子。CO2分離：富氧膜可作為CO2分離膜，在膜材料中引入親CO2的基團(tuán)，如醚鍵、苯環(huán)等，可大大提高CO2的透過性。SO2的分離：在膜材料中引入親SO2的亞砜基團(tuán)大大提高SO2分離膜的分離性能。當(dāng)前第77頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)氣體分離膜的應(yīng)用（1）特殊氣體的富集：富氧空氣主要用于醫(yī)用和工業(yè)燃燒；（2）CO2、SO2、H2O的回收和脫除。

a、天然氣的凈化：

天然氣：開采石油的伴生氣，主要成分為甲烷，含少量乙烷、丁烷、戊烷、CO2、CO、H2S。

危害：造成管路及設(shè)備腐蝕；降低天然氣熱值，浪費(fèi)管輸能力；對于液化天然氣還可能引起凍結(jié)。

管輸標(biāo)準(zhǔn)：CO2<3%；H2S<20mg/m3。當(dāng)前第78頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)b、三次采油注CO2伴生氣回收采油過程中，將二氧化碳以大于1000大氣壓的壓力注入油井驅(qū)油以提高采收率，利用超臨界萃取的原理、提高三次采油率。伴生氣中的二氧化碳分離濃縮后，再循環(huán)注入油井中，此法已得到了廣泛應(yīng)用。

體系為CO2/CH4分離，提濃為目的。當(dāng)前第79頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)c、生物氣脫除CO2來源：城市垃圾處理場。一個(gè)中等規(guī)模的垃圾場，沼氣的生產(chǎn)能力為3200m3/h。預(yù)測至2010年僅蘇浙滬地區(qū)城市垃圾的甲烷產(chǎn)量達(dá)260多萬噸，相當(dāng)于300萬噸煤炭的能源潛力，直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)4.2億元，同時(shí)環(huán)保效益很大。一般含CH4：50-70%。以深圳鹽田垃圾場為例：

CO230-40%

CH445-55%其它（略）以脫除CO2，提高熱值為目的，CO2/CH4分離。當(dāng)前第80頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)d、煙道氣凈化煙道氣中大量的二氧化碳排放是造成大氣溫室效應(yīng)的主要原因，富集和利用這些二氧化碳是保護(hù)環(huán)境、節(jié)省資源的一個(gè)重要課題。來源：電廠等燃燒。煙道氣的主要成分：CO2

10-15%N270-85%O23-8%其它（略）當(dāng)前第81頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)2、滲透蒸發(fā)膜

分離液體混合物

原理：溶解擴(kuò)散步驟：原料側(cè)膜的選擇性吸附；通過膜的選擇性擴(kuò)散；在另一側(cè)脫附到蒸汽相。驅(qū)動力：膜內(nèi)滲透組份的濃度梯度?？捎糜趥鹘y(tǒng)分離手段較難處理的恒沸物及近沸點(diǎn)物系的分離。優(yōu)點(diǎn)：一次分離度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點(diǎn)。當(dāng)前第82頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)滲透蒸發(fā)分離示意圖(真空氣化)液相室氣相室膜真空泵冷凝液冷凝器當(dāng)前第83頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)膜材料

只有對需要分離的某組分有親和性的高分子物質(zhì)才能作為膜材料。以透水為目的的滲透蒸發(fā)膜，應(yīng)該有良好的親水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纖維素（CA）都是較好的膜材料；當(dāng)以透過醇類物質(zhì)為目的時(shí)，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）則是較理想的膜材料。最成功的例子：無水乙醇的生產(chǎn)，工業(yè)化。當(dāng)前第84頁\共有95頁\編于星期四\3點(diǎn)3、透析透析是溶質(zhì)在其自身濃度梯度下從膜的一側(cè)（原料側(cè)）傳向另一側(cè)（透析物側(cè)或滲透物側(cè)）的過程。由于分子大小以及溶解度不同，使得擴(kuò)散速率不同，從而實(shí)現(xiàn)分離。透析過程中的傳遞是通過對致密膜的擴(kuò)散進(jìn)行的。為了減小阻力，膜應(yīng)高度溶脹。溶脹后的擴(kuò)散系數(shù)要高于未溶脹膜。膜應(yīng)當(dāng)盡