第二部分、第二章+膜技術(shù).ppt

第二章膜技術(shù) 2 1膜的基本概念 2 1 1膜的定義廣義的膜是指分隔兩相界面 并以特定的形式限制和傳遞各種化學(xué)物質(zhì) 它可以是均相的或非均相的 對稱型的或非對稱型的 固體或液體的 中性的或荷電性的 定義 兩個(gè)濃度相之間具有選擇性的柵欄 2 1 2膜的分類 來源材料形態(tài) 結(jié)構(gòu)制造 2 1 3膜的性能表征 膜的性能包括 1 物化穩(wěn)定性 指膜的強(qiáng)度 允許使用的壓力 溫度 PH值以及對有機(jī)溶劑和各種化學(xué)藥品的抵抗性 2 膜的分離透過性分離特性主要包括 a分離效率b滲透通量c通量衰減系數(shù) 2 2膜分離 2 2 1膜分離的基本原理膜分離是利用一張?zhí)厥庵圃斓?具有選擇透過性能的薄膜 在外力推動下 對混合物進(jìn)行分離 基本原理 1 根據(jù)物理性質(zhì)的不同 主要是質(zhì)量 體積大小和幾何形態(tài)差異 用過篩的方法將其分離 2 根據(jù)混合物的性質(zhì)不同膜在結(jié)構(gòu)和形態(tài)方面的差異與膜的分離機(jī)理有密切關(guān)系 直接與膜的應(yīng)用相關(guān)聯(lián) 如 多孔膜主要用于超濾 微濾和滲析過程電中性無孔膜主要用于反滲透 滲透汽化和氣體滲透過程荷電的無孔膜主要用于納濾和電滲析過程 2 2 2膜分離技術(shù)的特點(diǎn) 1 膜分離通常是一個(gè)高效的分離過程 2 膜分離過程的能耗通常比較低 3 多數(shù)膜分離過程的工作溫度在室溫附近 特別適用于對熱過敏物質(zhì)的處理 4 膜分離設(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 5 膜分離過程的規(guī)模和處理能力可在很大范圍內(nèi)變化 而它的效率 設(shè)備單價(jià) 運(yùn)行費(fèi)用等都變化不大 6 膜分離由于分離效率高 通常設(shè)備的體積比較小 占地較少 2 3膜的制備 2 3 1合成材料膜的制備方法可以用來制備合成膜的方法有許多種 其中有些既可以制備高聚物膜 也可以制備無機(jī)膜 主要制膜方法有 1 燒結(jié)法 制備聚四氟乙烯膜 2 拉伸 制備結(jié)晶材料 3 徑跡蝕刻 4 模取浸取 5 相轉(zhuǎn)化 6 涂覆 2 3 2有機(jī)膜的制備 2 3 2 1聚合物的結(jié)構(gòu)特征聚合物是由大量的單體鏈節(jié)構(gòu)成 聚合物的結(jié)構(gòu)特征 即是它們作為分離活性膜的內(nèi)部和外部特征 主要由相對分子質(zhì)量 有機(jī)高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間排列 不同分子間的相互作用等因素決定 1 相對分子質(zhì)量聚合物不具有統(tǒng)一的相對分子質(zhì)量 而是具有某種相對分子質(zhì)量分布 但是 為了能夠表示鏈長 經(jīng)常以平均相對分子質(zhì)量或聚合度的形式來說明平均分子大小 一般來說 隨著鏈長的增長 在高分子內(nèi)部和高分子之間相互作用部位的數(shù)目以及卷繞成團(tuán)的聚合物鍵的數(shù)目也增多 2 有機(jī)高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間排列 要描述有機(jī)高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間排列 就需要對 1 構(gòu)造 2 構(gòu)型 3 構(gòu)象等因素作出說明構(gòu)造 參與構(gòu)成高分子的原子或分子是什么 及其相互連接順序 如 無規(guī) 交替 嵌段 接枝共聚物 構(gòu)型 在高分子結(jié)構(gòu)中 原子在三維空間的趨向 如等規(guī) 間規(guī) 無規(guī)立構(gòu) 構(gòu)象 由于化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)而形成的高分子立體結(jié)構(gòu) 隨環(huán)境條件的變化而變化 如 交叉 重疊式 圖2聚合物的構(gòu)造 圖3聚合物的構(gòu)型 3 不同大分子間的相互作用 在聚合物鏈之間 主要的相互作用力是以某種共價(jià)鍵合的形式出現(xiàn)的 交聯(lián)聚合物 同時(shí)也存在一些次級的相互作用力 與主鍵力相比較 這些次級的相互作用只能引起較小的結(jié)合力 按結(jié)合力降低的順序排列 它們可分為 1 氫鍵 2 偶極力 3 彌散力 交聯(lián)度是十分重要的描述結(jié)構(gòu)形狀的參數(shù)在緊密細(xì)網(wǎng)眼交聯(lián)的情況下 分子間有附加影響力的次級鍵對熱穩(wěn)定性 化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性幾乎不重要 在疏松大網(wǎng)眼交聯(lián)的情況下 聚合物的結(jié)構(gòu)形狀則主要由次級鍵決定 2 3 2 2不對稱膜 目前 可以很成功地通過不對稱結(jié)構(gòu)來制備非常薄的膜 這樣的膜不同于對稱膜 是由一層很薄的致密表面 活性層 和一個(gè)置于其下的多孔支撐層構(gòu)成的 活性層作為對傳質(zhì)過程真正有選擇性的柵欄 基本上決定了膜的分離性能 相反 支撐層只是起著活性層的載體作用 基本不影響膜的分離性能 就不對稱聚合物膜來說 可以區(qū)分為整體不對稱結(jié)構(gòu)和組合不對稱結(jié)構(gòu)兩大類 對于這兩種膜類型 可根據(jù)轉(zhuǎn)相過程中制備參數(shù)的不同 或者根據(jù)聚合物薄膜的性質(zhì)不同 既能制成多孔結(jié)構(gòu)的膜 也能制成均質(zhì)無孔結(jié)構(gòu)的膜 對稱膜又稱為均質(zhì)膜 是一種均勻的薄膜 膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)及形態(tài)完全相同 包括致密的無孔膜和對稱的多孔膜兩種 圖 a 所示 一般對稱膜的厚度在10 200 m之間 傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定 降低膜的厚度可以提高透過速率 兩種不對稱膜的構(gòu)造 2 3 2 3轉(zhuǎn)相膜 制造轉(zhuǎn)相膜典型而有效的材料是 1 乙酸纖維素或三乙酸酯 2 聚酰胺 對轉(zhuǎn)相膜來說 膜的形成過程是以在某個(gè)三物料體系 聚合物 溶劑 凝固劑 中存在不完全溶混的區(qū)域?yàn)榍疤岬?在這種情況下 膜是依照下列程序形成的 1 制備具有適宜粘度的均相聚合物溶液 2 將聚合物澆注溶液涂成薄膜 3 使部分溶劑蒸發(fā)出來 4 聚合物的沉淀凝固 5 熟化過程 恒溫處理過程 2 3 2 4復(fù)合膜 在復(fù)合膜中 活性層和多孔支撐層是由不同的膜材料制成的 與轉(zhuǎn)相膜相比 復(fù)合膜具有更高的自由度 下面介紹幾種最重要的制備復(fù)合膜的方法 通過這些方法可以將活性層涂敷在支撐層上 1 浸漬法 2 界面聚合法 3 等離子聚合法 2 4膜的應(yīng)用 2 4 1水的凈化與脫鹽 1 海水淡化與苦咸水淡化 2 電廠鍋爐供水脫鹽 3 超純水制備 4 城市家庭飲用水的凈化 5 納濾膜技術(shù)在飲用水方面的應(yīng)用 2 4 2在食品方面的應(yīng)用 1 乳品加工 2 酒類生產(chǎn) 3 果汁加工 4 酶制劑生產(chǎn) 5 其他 2 4 3在醫(yī)療 衛(wèi)生方面的應(yīng)用 1 醫(yī)療 衛(wèi)生用水 2 藥品生產(chǎn) 3 醫(yī)療應(yīng)用 4 中藥提煉 2 4 4在石油 化工方面的應(yīng)用 1 液膜法進(jìn)行鈾的分離與回收 2 膜法由合成氨釋放氣中回收氫氣 3 膜法回收有機(jī)蒸汽 4 膜法之軀富氧空氣 5 液膜法氨基酸的生成與分離 6 膜法回收油田三次采油中的二氧化碳 7 滲透蒸發(fā)法用于無水乙醇的生產(chǎn) 8 中空纖維超濾膜在油田注水中的應(yīng)用 2 4 5在環(huán)境工程中的應(yīng)用 1 電泳漆廢水 2 電鍍廢水 3 纖維工業(yè)廢水 4 造紙工業(yè)廢水 5 含油 脫脂廢水2 4 6其他應(yīng)用 2 5膜分離技術(shù)的概況 2 5 1發(fā)展過程第一階段 20世紀(jì)60年代的開創(chuàng)時(shí)期 第二階段 20世紀(jì)70年代 進(jìn)入開發(fā)階段 第三階段 20世紀(jì)80年代以后 90年代以來 更是進(jìn)入全盛時(shí)期 1 液體分離膜的發(fā)展 1 離子交換膜和電滲析 2 反滲透 3 超濾2 膜法氣體分離的發(fā)展3 其他 1 20世紀(jì)70年代末 我國開始了液膜的研究 2 20世紀(jì)80年