高分子分離膜.

1、高分子分離膜選擇性透膜膜上游透膜膜下游v所謂的所謂的膜膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的流體相之間有一層薄的凝聚相凝聚相，它把流體相分隔，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。傳質(zhì)作用。v膜分離過程原理：膜分離過程原理：v以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一推動力推動力（如濃度差、壓力差或電位差等）（如濃度差、壓力差或電位差等）時，使時，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達到分離提純的原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達到分離提純的目的。目

2、的。v 傳統(tǒng)的分離物質(zhì)的技術(shù)，不論篩分、沉淀、過濾傳統(tǒng)的分離物質(zhì)的技術(shù)，不論篩分、沉淀、過濾、蒸餾、結(jié)晶、吸附和離子交換等，都需要、蒸餾、結(jié)晶、吸附和離子交換等，都需要消耗消耗大量的能量大量的能量，而且分離的結(jié)果往往不滿意。近代，而且分離的結(jié)果往往不滿意。近代的高分子分離膜不僅以它的孔徑大小不同而分離的高分子分離膜不僅以它的孔徑大小不同而分離大小不同粒子，更由于它們某些特有的功能而能大小不同粒子，更由于它們某些特有的功能而能有效地進行分離。有效地進行分離。 目前，研制和開發(fā)出的分離膜及應(yīng)用技術(shù)有：目前，研制和開發(fā)出的分離膜及應(yīng)用技術(shù)有： 高分子分離膜高分子分離膜：用高分子材料制成的具有選擇性透

3、用高分子材料制成的具有選擇性透過功能的半透性薄膜。采用這樣的半透性薄膜，過功能的半透性薄膜。采用這樣的半透性薄膜，以壓力差、溫度梯度、濃度梯度或電位差為動力以壓力差、溫度梯度、濃度梯度或電位差為動力，使氣體混合物、液體混合物或有機物、無機物，使氣體混合物、液體混合物或有機物、無機物的溶液等分離，具有節(jié)能、高效和潔凈等特點，的溶液等分離，具有節(jié)能、高效和潔凈等特點，因而被認為是支撐新技術(shù)革命的重大技術(shù)。因而被認為是支撐新技術(shù)革命的重大技術(shù)。基本概念膜材料的分類1. 按膜的材料分類類類 別別膜材料膜材料舉舉 例例纖維素酯類纖維素酯類纖維素衍生物纖維素衍生物類類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等醋

4、酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素非纖維素酯類酯類聚砜類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰( (亞亞) )胺類胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等等聚酯、烯烴類聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟含氟( (硅硅) )類類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等烷等其他其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等殼聚糖，聚電解質(zhì)等 2. 按膜的分離原理及適用范圍分類按膜的分離原理及適用范圍分類 根據(jù)分離膜的分離原理和推動力的不同，可將其根

5、據(jù)分離膜的分離原理和推動力的不同，可將其分為微孔、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析分為微孔、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。膜、滲透蒸發(fā)膜等。 3. 按膜斷面的物理形態(tài)分類按膜斷面的物理形態(tài)分類 根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對稱膜，不對稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中稱膜，不對稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中空纖維膜等。空纖維膜等。4. 按功能分類按功能分類日本著名高分子學(xué)者清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃槿毡局叻肿訉W(xué)者清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃榉蛛x分離功能膜功能膜（包括氣體分離膜、液體分離膜、離子交（包括氣體分離膜、液體分離膜、離

6、子交換膜、化學(xué)功能膜）、換膜、化學(xué)功能膜）、能量轉(zhuǎn)化功能膜能量轉(zhuǎn)化功能膜（包括濃（包括濃差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、機械能轉(zhuǎn)化膜、電差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、機械能轉(zhuǎn)化膜、電能轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜）、能轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜）、生物功能膜生物功能膜（包括探感膜（包括探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜）等。、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜）等。1. 纖維素酯類膜材料纖維素酯類膜材料纖維素是由幾千個椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過纖維素是由幾千個椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1,4-甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)：從結(jié)構(gòu)上看，纖維素的每個葡萄糖單元上有三個羥從結(jié)構(gòu)上看，纖維素的每個葡萄糖單元上有三

7、個羥基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進行酯化反應(yīng)，得到二下，能與冰醋酸、醋酸酐進行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。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 + 2 CH2COOH 醋酸纖維素醋酸纖維素是當今最重要的膜材料之一。是當今最重要的膜材料之一。 醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸堿存在下易醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸堿存在下易發(fā)生水解。為了改進其性能，進一步提高分離效

8、發(fā)生水解。為了改進其性能，進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、醋酸丁酸纖維素也是很好的膜材料。素、醋酸丁酸纖維素也是很好的膜材料。 纖維素類材料易受微生物侵蝕，纖維素類材料易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)范圍值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機溶劑或無機溶劑。較窄，不耐高溫和某些有機溶劑或無機溶劑。因因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高

9、分子類）膜。2. 非纖維素酯類膜材料非纖維素酯類膜材料（1）非纖維素酯類膜材料的基本特性）非纖維素酯類膜材料的基本特性 分子鏈中含有分子鏈中含有親水性的極性基團親水性的極性基團； 主鏈上應(yīng)有主鏈上應(yīng)有苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團，使之有高的，使之有高的抗壓密性和耐熱性；抗壓密性和耐熱性； 化學(xué)穩(wěn)定性好；化學(xué)穩(wěn)定性好； 具有可溶性；具有可溶性；常用于制備分離膜的合成高分子材料有常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。等。 膜分離過程主要有反滲透、超濾、微膜分離過程主要有反滲透、超濾、微濾、電滲析、壓滲析、氣

10、體分離、滲濾、電滲析、壓滲析、氣體分離、滲透汽化和液膜分離等。透汽化和液膜分離等。 反滲透（反滲透（RO膜）膜） 欲使欲使B側(cè)溶液中溶劑透過到側(cè)溶液中溶劑透過到A側(cè)，在側(cè)，在B側(cè)所施加的壓力必須大于滲透壓，側(cè)所施加的壓力必須大于滲透壓，這種操作稱為反滲透。通常幾十個這種操作稱為反滲透。通常幾十個大氣壓。大氣壓。反滲透反滲透 v 反滲透膜無明顯的孔道結(jié)構(gòu)反滲透膜無明顯的孔道結(jié)構(gòu) ，透過機理多采用，透過機理多采用溶解溶解- -擴散模型表述；擴散模型表述；v 反滲透的操作壓力常達到幾十個大氣壓反滲透的操作壓力常達到幾十個大氣壓; ;v 隨著壓力升高，溶劑的體積通量線性增大，而隨著壓力升高，溶劑的體積

11、通量線性增大，而溶質(zhì)的質(zhì)量通量與壓力無關(guān)溶質(zhì)的質(zhì)量通量與壓力無關(guān); ; v 提高反滲透操作壓力有利于實現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃提高反滲透操作壓力有利于實現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃縮縮 （適用于（適用于1nm1nm以下小分子的濃縮以下小分子的濃縮 ）。）。應(yīng)用：應(yīng)用： A、海水淡化，、海水淡化， B、超純水制備，、超純水制備， C、抗生素和氨基酸等濃縮，、抗生素和氨基酸等濃縮， D、回收有機溶劑，如乙醇、丁醇和、回收有機溶劑，如乙醇、丁醇和 丙醇等。丙醇等。 超濾和微濾超濾和微濾 超濾超濾 操作：一般采用切向流體，以減少固相沉積。操作：一般采用切向流體，以減少固相沉積。膜兩側(cè)的滲透壓很小，操作壓在膜兩側(cè)的滲透壓很小，

12、操作壓在0.1-1.0MPa。 v 超濾（超濾（UF)UF)和微濾和微濾(MF)(MF)v超濾超濾(UF)(UF)和微濾和微濾(MF)(MF)都是利用膜的篩分性質(zhì)，以都是利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為傳質(zhì)推動力；壓差為傳質(zhì)推動力； vUFUF膜和膜和MFMF膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu) ，主要用于截留，主要用于截留高分子溶質(zhì)或固體微粒高分子溶質(zhì)或固體微粒 ；v操作壓力低，膜的透過通量與壓差成正比，與濾操作壓力低，膜的透過通量與壓差成正比，與濾液粘度成反比液粘度成反比 ；各種膜分離（靜壓力差）的比較各種膜分離（靜壓力差）的比較 透析透析原理：濃差擴散 v透析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透

13、過通量很透析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過通量很?。恍?；v常用于腎衰竭患者的血液透析，在生物分離方面常用于腎衰竭患者的血液透析，在生物分離方面，主要用于生物大分子溶液的脫鹽。，主要用于生物大分子溶液的脫鹽。 電滲析 原理：利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進行分離 用途：樣品快速脫鹽。用途：樣品快速脫鹽。 關(guān)鍵部件關(guān)鍵部件:離子交換膜離子交換膜 用途：用途：A、海水淡化，、海水淡化，B、苦水淡化，、苦水淡化， C、血漿、血漿、IgG、其他蛋白質(zhì)的分離，、其他蛋白質(zhì)的分離， D、氨基酸和有機酸分離純化。、氨基酸和有機酸分離純化。 優(yōu)點：可大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)點：可大規(guī)模生產(chǎn) 缺點：能耗高缺點：能耗高

14、滲透氣化滲透氣化又稱膜蒸餾，根據(jù)溶質(zhì)間滲透氣化又稱膜蒸餾，根據(jù)溶質(zhì)間透過膜的速度不同，使混合物分離透過膜的速度不同，使混合物分離 ；滲透氣化膜主要為多孔聚乙烯膜、滲透氣化膜主要為多孔聚乙烯膜、聚丙烯膜和含氟多孔膜聚丙烯膜和含氟多孔膜 ；適用于共沸物和揮發(fā)度相差較小的適用于共沸物和揮發(fā)度相差較小的雙組分溶液的分離雙組分溶液的分離 。 v 疏水膜的一側(cè)通入料液，疏水膜的一側(cè)通入料液，另一側(cè)（透過側(cè)）抽真空另一側(cè)（透過側(cè)）抽真空或通入惰性氣體，使膜兩或通入惰性氣體，使膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下，料液中的壓差的作用下，料液中的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴散通過溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴散通

15、過膜，在透過側(cè)發(fā)生氣化，膜，在透過側(cè)發(fā)生氣化，氣化的溶質(zhì)被膜裝置外設(shè)氣化的溶質(zhì)被膜裝置外設(shè)置的冷凝器冷凝回收。因置的冷凝器冷凝回收。因此滲透氣化法根據(jù)溶質(zhì)間此滲透氣化法根據(jù)溶質(zhì)間透過膜的速度不同，使混透過膜的速度不同，使混合物得到分離。合物得到分離。膜分離技術(shù)的應(yīng)用水的脫鹽水的脫鹽和凈化和凈化食品工業(yè)食品工業(yè)醫(yī)療、衛(wèi)生方面醫(yī)療、衛(wèi)生方面化工方面化工方面環(huán)境工程環(huán)境工程其他方面其他方面海水與苦海水與苦咸水淡化咸水淡化電廠鍋爐電廠鍋爐供水脫鹽供水脫鹽超純水制備超純水制備城市家庭飲城市家庭飲用水的凈化用水的凈化乳品乳品加工加工酒類酒類生產(chǎn)生產(chǎn)果汁果汁加工加工酶制劑酶制劑生產(chǎn)生產(chǎn)醫(yī)療、衛(wèi)醫(yī)療、衛(wèi)生用水

16、生用水藥品生產(chǎn)藥品生產(chǎn)醫(yī)療應(yīng)用醫(yī)療應(yīng)用中藥提煉中藥提煉回收有機蒸氣回收有機蒸氣制取富氧空氣制取富氧空氣無水乙醇生產(chǎn)無水乙醇生產(chǎn)膜與生膜與生物技術(shù)物技術(shù)國防上國防上的應(yīng)用的應(yīng)用交通、交通、運輸方運輸方面面脫脫氣氣膜膜電泳漆電泳漆廢水廢水電鍍廢電鍍廢水水纖維纖維工業(yè)工業(yè)廢水廢水造紙造紙工業(yè)工業(yè)廢水廢水其他廢其他廢水水應(yīng)用應(yīng)用v“篩”出海洋中的淡水 ！膜分離的應(yīng)用 (a) (a) 海水淡化海水淡化水是人類賴以生存的不可缺少的重要物質(zhì)。然而地水是人類賴以生存的不可缺少的重要物質(zhì)。然而地球上水大約球上水大約97%是不能直接飲用的海水是不能直接飲用的海水,只有只有3%是能夠是能夠直接飲用的淡水直接飲用的淡

17、水,其中其中70%是被南極、北極的冰河和萬年是被南極、北極的冰河和萬年雪山所固定雪山所固定,而且隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展而且隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,淡水資源的淡水資源的緊缺日趨嚴重緊缺日趨嚴重,促使許多國家投入大量資金研究海水和苦促使許多國家投入大量資金研究海水和苦咸水淡化技術(shù)。咸水淡化技術(shù)。已采用的淡化技術(shù)有蒸發(fā)法和膜法已采用的淡化技術(shù)有蒸發(fā)法和膜法(反滲反滲透、電滲析透、電滲析),與蒸發(fā)法相比與蒸發(fā)法相比,膜法淡化技術(shù)有投資費用少、膜法淡化技術(shù)有投資費用少、能耗低、占地面積少、建造周期短、操作方便、易于自動能耗低、占地面積少、建造周期短、操作方便、易于自動控制、起動運行快等優(yōu)點控制、起動運行快等優(yōu)點。 海水淡化-電滲析原理v1 離子在電場下的定向遷移離子在電場下的定向遷移v2 膜的選擇性透過膜的選擇性透過+-極水極水 鹽水鹽水 淡水淡水膜法海水淡化膜法海水淡化分離方法反滲透低溫多效多級閃蒸能耗(kWh/m3)3.5710國家或地區(qū)國家或地區(qū)沙特沙特中國中國長海長海中國中國長島長島中國中國滄化滄化設(shè)備能力設(shè)備能力m3/d568001000100018