膜技术及其化工应用

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1、第四章膜技术及其应用第一节膜技术简介膜技术是一种新兴的技术，由于其多学科的特点，膜技术可以用于大量的分离过程。然而，对不同分离过程之间作比较是很困难的。目前膜过程已广泛用于许多领域并不断扩展。膜技术的优点可以概括为：可实现连续分离；能耗通常较低；易与其它分离过程结合（联合过程）；易于在温和条件下实现分离；易于放大；膜的性能可以调节；不需要添加物。其主要缺点是：浓差极化和膜污染；膜寿命有限；选择性较低；放大因子基本是线性的。应当说明的是，这里总结的膜技术的特点是非常定性的，且不同过程及不同应用场合会有很大差别。此外，膜污染（被分离溶质与膜的相互作用或在膜表面的浓度高于溶解度使溶质在膜表面或膜

2、孔内产生吸附或沉积）和浓差极化（浓差极化使得膜表面溶质浓度增高，导致膜表面渗透压增高，而且膜表面溶质要向本体溶液扩散）实际上不应视为缺点，因为这些现象是分离过程所固有的。应当采取适当措施尽可能消除这些现象。第二节膜材料及制膜方法一、膜材料膜材料主要是高聚物，聚合物的物理性质在很大程度上取决于其化学结构。聚合物链的热运动取决于绕主链旋转的能力，这又取决于两个因素。1）链的柔韧性2）链的相互作用链的柔韧性主要取决于其主链的柔韧性。主链中芳香或杂环基团的存在会大大降低链的旋转能力，而饱和主链则非常柔软，此时侧链基团对柔韧性有很大影响。含−C−C−键的主链与含−C−O−或−SI−C−键一样是非常柔

3、软的。因此Tg（玻璃化温度）很低（特别是−SI−C−键的转动能非常低）。当主链存在芳环或杂环基团时，Tg明显上升，如聚脂肪酰胺的Tg比聚芳香酰胺低得多。链的柔韧性不仅取决于主链上的基团，在很大程度上也受侧链影响。然而，侧链或侧基对Tg的影响只限于含有柔性主链的聚合物。当主链为刚性时，侧链或侧基的影响很小。对于柔性主链而言，侧基体积越大，绕主链旋转的立体禁阻性越大，因此Tg升高越明显。广义上来说也可以把固体膜理解为溶剂，被分离组分在固体溶剂中的溶解度越大，被分离组分将优先通过，也就是说通量大。因而选择分离膜时应首先从互溶性方面考虑（极性溶剂与极性膜互溶性好），选择好膜的主材质；其次根据主材单

4、体的刚性，选择第二单体进行共聚调整。总之，要保证被分离组分与聚合物互溶性好，而且聚合物的软硬度合适。互溶性的好坏可用有机概念图加以判断。目前常用的膜材料有如下几种：1、纤维素类衍生物再生纤维素（铜氨液溶液后制膜，酸化后复原）、硝化纤维素、醋酸纤维素、乙基纤维素等。2、聚砜类双酚A型聚砜、聚芳醚砜、聚醚酮等。3、聚酰胺类脂肪族聚酰胺、聚砜酰胺、芳香族聚酰胺等。4、聚酯类涤纶、聚碳酸酯5、聚烯烃类6、乙烯类7、含硅聚合物8、含氟聚合物二、合成膜的种类根据膜分离原理可将膜分为三大类：──多孔膜（超滤、微滤、膜精馏）──无孔膜（气体分离、全蒸发、透析）──载体膜图4-1给出了三种膜的结构示意图图4

5、-1三种膜的基本结构示意图对于多孔膜，其分离特性主要取决于孔的大小，膜材料的种类对于化学稳定性、耐热性和机械稳定性十分重要，但对于通量和截流率并不重要。另一方面，对于无孔膜，分离性能主要取决于膜材料的固有特性。这三种膜的主要特征如下：1）多孔膜这类膜根据颗粒大小而实现分离，主要用于微滤和超滤。当溶质或颗粒体积大于膜孔径时可以得到很高的选择性。2）无孔膜这类膜可以用来分离体积大致相同的分子，它是利用溶解度或扩散系数的差异而实现分离。这种聚合物材料的本质特性决定了其选择性和渗透性。这类膜用于全蒸发、蒸汽渗透、气体分离和透析。3）载体介导传递这类膜的传递性能由特定的载体分子决定而不受膜本身材料的

6、影响。可以分为两种情况。一种是载体固定在膜的母体上；另一种则是载体溶于液体中因而可以迁移。对于前者，含有载体的液体位于多孔膜的孔内。膜对某一种组分的选择渗透性主要取决于载体分子的专一性。通过使用特制的载体，可以实现很高的选择性。通过膜的组分可以是气体、液体、离子或非离子。这种膜的性能在一定程度上接近细胞膜。根据结构分类：1）对称膜内外结构一致。2）非对称膜双层结构，大部分作为支撑，少部分（薄层）起分离作用。三、合成膜的制备1、烧结法制膜烧结是一种相当简单的制备多孔膜的方法，可以制有机膜，也可制无机膜。具体方法是将一定大小颗粒的粉末进行压缩，然后在高温下烧结。烧结温度取决于所选用的材料，在烧

7、结过程中，颗粒间的界面消失。图4-2给出了制备过程示意图。图4-2烧结制膜过程示意图很多材料比如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、不锈钢、钨、陶瓷、石墨、玻璃均可采用这种方法制膜。所制得的膜的孔径的大小取决于粉末的颗粒大小的分布。颗粒大小分布越窄，所制成的膜孔径分布也越窄。采用这种方法所制的孔径大约0.1μm~10μm，其孔径下限由所选用最小颗粒的大小而定。烧结法是制备聚四氟乙烯膜的很好的方法，因为对这种具有非常好的化学和热稳