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文檔簡介
5.7高分子功能膜通常又稱為分離膜,是一種特殊功能的膜,其特殊性就在膜對某些物質有選擇透過性。除了其分離功能,還有其他功能,如作為催化劑或生物催化劑載體的功能,分離功能及復合功能。5.7.1高分子功能膜分類(1)按構成膜的材料:天然高分子膜、有機合成高分子膜(2)按膜的結構:對稱膜—疏松的多孔膜和致密的多孔膜非對稱膜—多孔膜、疊合膜和復合膜離子交換膜5.7.1高分子功能膜分類(3)按分離過程推動力:壓力差膜、濃度差膜、溫度差膜和電位差膜(4)按膜材料的宏觀外形結構:管狀膜:易清洗,使用分離濃度很高或者污物較多的場合,但使用的密度小,在一定體積下,有效分離面積最小。
中空纖維膜:主要應用與血液透析設備和人工腎臟的制備。但容易被污染。
平面型分離膜:容易制作,使用方便,成本低。有支撐型、無支撐型和增強型。膜分離作用的兩種形式過篩作用:類似與物理過篩過程,與常見的篩網材料相比,膜的孔徑要小的多。主要取決于物質粒徑尺寸的大小和篩孔的大小。溶劑擴散作用:當膜材料對某些物質具有一定的溶解能力時,在外力的作用下被溶解的物質能夠在膜中擴散運動,從膜的一側擴散到另一側,再離開膜。這種作用形式在用密度膜對氣體進行分離和用反滲透膜對溶質與溶液進行分離的過程起主要作用。
任何分離過程中,都不僅僅存在一種作用形式,膜和被分離物質的親水性、相容性、電負性等都起一定作用膜制備材料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,聚電解質等5.7.2分離膜的制備方法1.多孔膜的制備方法①.相轉化制膜工藝
相轉化是指將均質的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑或加熱制膜液,使液相轉變?yōu)楣滔嗟倪^程。相轉化制膜工藝中最重要的方法是L—S型制膜法。它是由加拿大人勞勃(S.Leob)和索里拉金(S.Sourirajan)發(fā)明的,并首先用于制造醋酸纖維素膜。將制膜材料用溶劑形成均相制膜液,在模具中流涎成薄層,然后控制溫度和濕度,使溶液緩緩蒸發(fā),經過相轉化就形成了由液相轉化為固相的膜,其工藝框圖可表示如下:5.7.2分離膜的制備方法1.多孔膜的制備方法②.粉末燒結法
是模仿陶瓷或燒結玻璃等加工制備無機膜的方法,將高密度聚乙烯粉末或聚丙烯粉末篩分出一定目度范圍的粉末,經過高壓壓制成不同厚度的板材或管材,在略低于熔點的溫度下燒結成型,制得產品的孔徑在微米級,質輕,多用作復合膜的機械支撐材料。近年來有以超高分子量聚乙烯代替高密度聚乙烯的趨勢。5.7.2分離膜的制備方法1.多孔膜的制備方法③.拉伸致孔法
低密度聚乙烯和聚丙烯等室溫下無溶劑可溶的材料,其薄膜在室溫下拉伸時,無定形區(qū)在拉伸方向上可出現狹縫狀細孔,再在較高溫度下定型,即可得到對稱性多空膜,可制備成平膜或中空纖維膜。5.7.2分離膜的制備方法1.多孔膜的制備方法④.熱致相分離法
聚烯烴溶于高溫溶劑,在紡中空纖維或制膜的過程中冷卻時發(fā)生相分離形成多空膜,再除去溶劑后得到多空不對稱膜。5.7.2分離膜的制備方法2.致密膜的制備方法②.水面擴展揮發(fā)法
更薄的均質膜則利用水面擴展法,待溶劑揮發(fā),聚合物膜浮于水表面上。可制得的膜厚度達20nm。5.7.3幾種膜的分離過程膜過程推動力傳遞機理透過物截留物膜類型微濾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壓力差離子大小及電荷水、一價離子、多價離子有機物復合膜反滲透壓力差溶劑的擴散傳遞水、溶劑溶質、鹽非對稱性膜復合膜膜過程推動力傳遞機理透過物截留物膜類型滲析濃度差溶質的擴散傳遞低分子量物、離子溶劑非對稱性膜電滲析電位差電解質離子的選擇傳遞電解質離子非電解質,大分子物質離子交換膜氣體分離壓力差氣體和蒸汽的擴散滲透氣體或蒸汽難滲透性氣體或蒸汽均相膜、復合膜,非對稱膜滲透蒸發(fā)壓力差選擇傳遞易滲溶質或溶劑難滲透性溶質或溶劑均相膜、復合膜,非對稱膜液膜分離濃度差反應促進和擴散傳遞雜質溶劑乳狀液膜、支撐液膜續(xù)上表
滲透和反滲透的原理如圖4—4所示。如果用一張只能透過水而不能透過溶質的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開,水會自然地透過半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側遷移,這一現象稱滲透(圖4—4a)。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學位與高濃度溶液中水的化學位之差,表現為水的滲透壓。隨著水的滲透,高濃度水溶液一側的液面升高,壓力增大。當液面升高至H時,滲透達到平衡,兩側的壓力差就稱為滲透壓(圖4—4b)。滲透過程達到平衡后,水不再有滲透,滲透通量為零。反滲透原理滲透與反滲透原理示意圖
如果在高濃度水溶液一側加壓,使高濃度水溶液側與低濃度水溶液側的壓差大于滲透壓,則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側,這一過程就稱為反滲透(圖4—4c)。反滲透技術所分離的物質的分子量一般小于500,操作壓力為2~100MPa。用于實施反滲透操作的膜為反滲透膜。反滲透膜大部分為不對稱膜,孔徑小于0.5nm,可截留溶質分子。反滲透膜最早應用于苦咸水淡化。隨著膜技術的發(fā)展,反滲透技術已擴展到化工、電子及醫(yī)藥等領域。反滲透過程主要是從水溶液中分離出水,分離過程無相變化,不消耗化學藥品,這些基本特征決定了它以下的應用范圍。1.海水、苦咸水的淡化制取生活用水,硬水軟化制備鍋爐用水,高純水的制備。近年來,反滲透技術在家用飲水機及直飲水給水系統(tǒng)中的應用更體現了其優(yōu)越性。反滲透膜技術應用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,而且產品的療效、風味和營養(yǎng)等均不受影響。3.印染、食品、造紙等工業(yè)中用于處理污水,回收利用廢業(yè)中有用的物質等。(2)超濾
超濾膜是指具有1-20nm細孔的多孔質膜,它幾乎可以完全將含于溶液中的病毒、高分子膠體等微粒子截留分離。它的分離性能就是用它所截留物質的分子量大小定義。超濾技術的核心部件是超濾膜,分離截留的原理為篩分,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。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離效率。
超濾膜
制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質,如醋酸纖維素超濾膜適用于pH=3~8,三醋酸纖維素超濾膜適用于pH=2~9,芳香聚酰胺超濾膜適用于pH=5~9,溫度0~40℃,而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過100℃。制備超濾膜材料(3)微濾膜
微濾膜是指孔徑0.01-10um的多孔分離膜,它可以完全把細菌、膠體以及氣溶膠等微小粒子從流體中比較徹底的除去。流體中含有粒子的濃度不同,微濾膜的使用方式也不同。
微濾膜使用方式
流體方式
(5)藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時,細菌的尸體仍留在藥品中。而且對于熱敏性藥物,如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況,微孔膜有突出的優(yōu)點,經過微孔膜過濾后,細菌被截留,無細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。許多液態(tài)藥物,如注射液、眼藥水等,用常規(guī)的過濾技術難以達到要求,必須采用微濾技術。1.氣體分離膜的分離機理
氣體分離膜有兩種類型:非多孔均質膜和多孔膜。它們的分離機理各不相同。(1)非多孔均質膜的溶解擴散機理該理論認為,氣體選擇性透過非多孔均質膜分四步進行:氣體與膜接觸,分子溶解在膜中,溶解的分子由于濃度梯度進行活性擴散,分子在膜的另一側逸出。(2)多孔膜的透過擴散機理
用多孔膜分離混合氣體,是借助于各種氣體流過膜中細孔時產生的速度差來進行的。(4)氣體分離膜反應器是膜和化學反應或生物反應相結合的系統(tǒng)或設備,在反應系統(tǒng)中引入膜技術,可以實現強化反應過程的目標。5.7.4膜反應器和膜催化單膜分離集成膜過程雜化膜過程(1)產物原位分離膜反應技術。使用于可逆反應、串聯反應和產物抑制體系,以提高反應效率。幾種不同原理的膜反應器技術AB可逆反應ABC串聯反應產物抑制反應AB催化劑快慢(2)反應物控制輸入膜反應技術。使用于高濃度反應物會加速副反應速度或影響產物的質量,通過控制反應物輸入膜技術降低其濃度。幾種不同原理的膜反應器技術
A+BCBAA(3)非選擇性滲透催化反應技術:1.反應物預混合會增加副反應速率的體系;2.反應物混合會引起燃燒、爆炸等;3.兩反應物需要嚴格進料的體系;4.揮發(fā)性物質和不揮發(fā)性物質的氣液兩相催化反應;幾種不同原理的膜反應器技術
(4)多相膜反應和萃取膜反應:
幾種不同原理的膜反應器技術水相有機相L、D酯混合物酶膜D-酯水相吹掃流濃縮L-酸幾種不同原理的膜反應器技術(5)催化膜:在膜反應器中,利用膜的載體功能將催化劑固定在膜表面或膜內來制備催化膜。5.7.5高分子功能膜的應用(1)水資源的再利用(2)環(huán)境保護(3)食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)(4)生物工程
5.8高分子材料與功能電池高分子電池與傳統(tǒng)電池比較:
①無電池漏液問題;
②可制成薄型電池
③電池可設計成多種形狀,可彎曲變形,④可制成單顆高壓電池。5.8.1高分子電池簡介5.8高分子材料與功能電池1.高分子電解膜
要求:離子傳導性好;水分子在膜中的電滲透作用小,H+在其間的遷移速度高;水分子在平行與質子交換膜表面的方向上有足夠大的擴散速度;氣體在膜中的滲透性盡可能的??;水合/脫水可逆性好,不易膨脹;對氧化還原和水解具有穩(wěn)定性;有足夠高的機械強度和結構強度。2.電極3.鉑和水5.8.2燃料電池5.9生物、醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子材料定義:廣義
復合特殊要求的功能高分子材料:可對有機體進行修復、替代與再生的具有特殊功能的合成高分子材料。包括的內容廣泛:生物活性高分子、生物可降解高分子、血液凈化高分子、生物吸收高分子、藥用高分子等。5.9.1生物、醫(yī)用高分子簡介生物體是有機高分子存在的最基本形式,有機高分子是生命的基礎。動物體與植物體組成中最重要的物質—蛋白質、肌肉、纖維素、淀粉、生物酶和果膠等都是高分子化合物。因此,可以說,生物界是天然高分子的巨大產地。高分子化合物在生物界的普遍存在,決定了它們在醫(yī)學領域中的特殊地位。在各種材料中,高分子材料的分子結構、化學組成和理化性質與生物體組織最為接近,因此最有可能用作醫(yī)用材料。常見治療用的高分子常見醫(yī)用的高分子材料生物活性高分子是指對生物體起產生、增強或控制某種特定生物活性作用的化學體系中用到的高分子物質,也就是說生物活性高分子能在與其他高分子或某些活性部位直接或間接的相互作用時產生生物學響應。5.9.2生物活性高分子1.生物兼容性材料:目標是尋求真正具有生物活性的醫(yī)用材料,使材料與宿主組織間能更好的結合或鍵合等相互作用生物活性高分子材料應用應用:在牙科和骨科材料;利用其作為支架,以誘導和引導組織細胞的長入和再生的研究取得進展。材料舉例:理想的人工關節(jié)材料是聚乙烯;骨水泥做成的骨用黏合劑2.在高分子載體上固定酶、抗體或抗原等生物活性物質的研究和應用得到廣泛的關注。生物活性高分子材料應用應用:廣泛應用于分析、診斷,尤其是微量、快速、精確的診斷、控制和調理方面,而且在純化、分離某些特定的分子、蛋白質,乃至活的細胞也卓有成效,并可用于查明病因。材料舉例:酶固定于高分子上的酶治療。3.在高分子尤其是在聚酯、聚酰胺、聚乙烯等合成纖維上引進5-硝基呋喃基丙烯醇等各種抗菌劑或高分子與多種金屬的絡合物又可形成一類新的抗菌高分子材料生物活性高分子材料應用應用:被用作縫線、長期植入體內的導管以及作燒傷敷料以保護和促進傷口的愈合。4.一類自身具有生物活性的含陰離子高分子,或稱聚陰離子。如聚羧酸酯類高分子在生物體內可誘發(fā)產生干擾素,具有抗菌活性。生物活性高分子材料應用應用舉例:肝素是天然存在的含硫酸酯基和羧酸基等負離子基的多糖,是極強的抗凝血劑。5.生物高分子材料中的血液相溶性材料,主要應用與抗血栓、抗凝血等方面。生物活性高分子材料應用目前研制的抗凝血材料按其作用機理分類:(1)減弱血液間的相互作用①賦予負電荷—羧甲基纖維素、磺化聚苯乙烯、離子鍵聚合物、在混合物中混合或蒸鍍碳;
②表面能最優(yōu)化—有機硅樹脂-甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸-乙羥乙酯接枝聚合物和混合物;③表面可溶化—在聚合物表面接枝聚乙二醇、聚丙烯酰胺目前研制的抗凝血材料按其作用機理分類:(2)利用生物活性物質①抗凝固劑的固定化—固定肝素或前列腺環(huán)素的聚合物
②線溶系酶的固定化—固定尿激素的馬來酸酐甲基乙基醚③利用生化體組織—在生物體內使用聚酯,多空PTFE制的人工血管抗血栓材料:可用聚苯乙烯,聚甲基丙烯酸甲酯接上甲基丙烯酸-β-強乙酯。接枝聚合物
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