高分子膜分離材料

1、 高分子膜分離材料與膜分離技術(shù)高分子膜分離材料與膜分離技術(shù)1.1 概述概述1.1.1 膜分離技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史膜分離技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史 1748年，年，Nelkt發(fā)現(xiàn)誰(shuí)能自發(fā)的擴(kuò)散到裝有酒精發(fā)現(xiàn)誰(shuí)能自發(fā)的擴(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開(kāi)創(chuàng)了膜滲透的研究。的豬膀胱內(nèi)，開(kāi)創(chuàng)了膜滲透的研究。 19世紀(jì)，人們對(duì)溶劑的滲透現(xiàn)象有了明確認(rèn)識(shí)，世紀(jì)，人們對(duì)溶劑的滲透現(xiàn)象有了明確認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)天然橡膠對(duì)某些氣體的不同滲透率，提出利發(fā)現(xiàn)天然橡膠對(duì)某些氣體的不同滲透率，提出利用多孔膜分離氣體混合物的思路。用多孔膜分離氣體混合物的思路。 1855年，年，F(xiàn)ick用陶瓷管侵入用陶瓷管侵入硝酸纖維素硝酸纖維素乙醚溶乙醚溶液制備囊袋型超

2、濾半滲透膜，用以滲透生物學(xué)流液制備囊袋型超濾半滲透膜，用以滲透生物學(xué)流體溶液。體溶液。 1907年，年，Bechhold指出濾膜孔徑可以用改變指出濾膜孔徑可以用改變火膠棉溶液的溶度來(lái)控制，從而可制出不同孔徑火膠棉溶液的溶度來(lái)控制，從而可制出不同孔徑的膜，并列出相應(yīng)過(guò)濾顆粒物質(zhì)梯級(jí)表。的膜，并列出相應(yīng)過(guò)濾顆粒物質(zhì)梯級(jí)表。 1918年，年，Zsigmondy等人提出了商品規(guī)模生等人提出了商品規(guī)模生產(chǎn)硝酸纖維素微孔濾膜的方法，產(chǎn)硝酸纖維素微孔濾膜的方法， 1921年獲的專(zhuān)年獲的專(zhuān)利。利。 v 30年代微孔過(guò)濾，分離和富集微生物和極細(xì)粒子。年代微孔過(guò)濾，分離和富集微生物和極細(xì)粒子。v 40年代出現(xiàn)了基

3、于滲析原理的年代出現(xiàn)了基于滲析原理的人工腎人工腎。v 50年代電滲析獲得工業(yè)應(yīng)用。年代電滲析獲得工業(yè)應(yīng)用。v 60年代研制成功醋酸纖維素非對(duì)稱(chēng)膜和中空醋酸年代研制成功醋酸纖維素非對(duì)稱(chēng)膜和中空醋酸膜，這是在膜分離技術(shù)發(fā)展中兩個(gè)重大突破，對(duì)膜膜，這是在膜分離技術(shù)發(fā)展中兩個(gè)重大突破，對(duì)膜分離技術(shù)起了重要推動(dòng)作用使反滲透，超濾和氣體分離技術(shù)起了重要推動(dòng)作用使反滲透，超濾和氣體分離進(jìn)入實(shí)用性階段。分離進(jìn)入實(shí)用性階段。v 70年代超濾和液膜；年代超濾和液膜；80年代氣體分離；年代氣體分離；90年代年代滲透汽化滲透汽化 1.1.2 膜分離與膜分離技術(shù)的概念膜分離與膜分離技術(shù)的概念 膜分離膜分離是利用薄膜對(duì)混

4、合物組分的是利用薄膜對(duì)混合物組分的選擇性透過(guò)選擇性透過(guò)性能使混合物分離的過(guò)程。性能使混合物分離的過(guò)程。 如果在一個(gè)流體相內(nèi)或兩個(gè)流體相之間有一薄如果在一個(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)把流體分隔開(kāi)來(lái)成為兩部分這一鄰居層凝聚相物質(zhì)把流體分隔開(kāi)來(lái)成為兩部分這一鄰居相物質(zhì)就是膜。相物質(zhì)就是膜。 膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱(chēng)為膜技術(shù)。膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱(chēng)為膜技術(shù)。 1.1.3 膜分離技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)膜分離技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn) 膜分離過(guò)程的主要特點(diǎn)是已具有選擇透過(guò)性的膜分離過(guò)程的主要特點(diǎn)是已具有選擇透過(guò)性的膜作為組分分離的手段。其推動(dòng)力有濃度差，壓力膜作為組分分離的手段。其推動(dòng)力有濃

5、度差，壓力差，分壓差和電位差。分離過(guò)程可概述為三種形式：差，分壓差和電位差。分離過(guò)程可概述為三種形式：滲析式膜分離；過(guò)濾式膜分離；液膜分離。滲析式膜分離；過(guò)濾式膜分離；液膜分離。 膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多，該過(guò)程膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多，該過(guò)程沒(méi)有相的變化沒(méi)有相的變化，所以能耗低，成本也低。分離過(guò)程一般在所以能耗低，成本也低。分離過(guò)程一般在常溫下進(jìn)常溫下進(jìn)行行，可避免某些物質(zhì)在分離過(guò)程中出現(xiàn)高溫分級(jí)，可避免某些物質(zhì)在分離過(guò)程中出現(xiàn)高溫分級(jí)，濃縮與富集現(xiàn)象發(fā)生。分離裝置簡(jiǎn)單，操作容易，濃縮與富集現(xiàn)象發(fā)生。分離裝置簡(jiǎn)單，操作容易，制造方便，所以應(yīng)用很廣。制造方便，所以應(yīng)用很廣。1.1.4 膜的分類(lèi)膜的分類(lèi)

6、 a.按膜的材料分按膜的材料分 b.按膜的分離原理及適用范圍分類(lèi)按膜的分離原理及適用范圍分類(lèi) 根據(jù)分離膜的根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力分離原理和推動(dòng)力不同，不同，可將其分為微孔膜，超過(guò)濾膜，反滲透膜?？蓪⑵浞譃槲⒖啄?，超過(guò)濾膜，反滲透膜。納濾膜，滲析膜，電滲析膜滲析蒸發(fā)膜等。納濾膜，滲析膜，電滲析膜滲析蒸發(fā)膜等。c.按膜斷面的物理形態(tài)分類(lèi)按膜斷面的物理形態(tài)分類(lèi) 根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對(duì)稱(chēng)膜，不對(duì)稱(chēng)膜，復(fù)合膜等。其分為對(duì)稱(chēng)膜，不對(duì)稱(chēng)膜，復(fù)合膜等。 1.1.5 膜分離過(guò)程的類(lèi)型膜分離過(guò)程的類(lèi)型 分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地分離膜的基本功能

7、是從物質(zhì)群中有選擇地透過(guò)或輸送特定的物質(zhì)，透過(guò)或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒，分子，離如顆粒，分子，離子等?；蛘哒f(shuō)物質(zhì)的分離是通過(guò)膜的選擇透子等?；蛘哒f(shuō)物質(zhì)的分離是通過(guò)膜的選擇透過(guò)性實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過(guò)程及傳遞過(guò)性實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過(guò)程及傳遞機(jī)理如下：機(jī)理如下：1.2 微濾微濾 1.2.1 微孔過(guò)濾微孔過(guò)濾 微孔過(guò)濾技術(shù)始于十九世紀(jì)中葉，微孔過(guò)濾技術(shù)始于十九世紀(jì)中葉，是以靜壓差是以靜壓差為推動(dòng)力，利用篩網(wǎng)狀過(guò)濾介質(zhì)的篩分作用進(jìn)行分為推動(dòng)力，利用篩網(wǎng)狀過(guò)濾介質(zhì)的篩分作用進(jìn)行分離的膜過(guò)程離的膜過(guò)程。實(shí)施微孔過(guò)濾的膜稱(chēng)為微孔膜。實(shí)施微孔過(guò)濾的膜稱(chēng)為微孔膜。 微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在微孔膜

8、是均勻的多孔薄膜，厚度在90150um左右左右，過(guò)濾粒徑在，過(guò)濾粒徑在0.02510um之間之間，操作壓力在，操作壓力在0.010.2MPa。到目前為止，國(guó)內(nèi)外商品化的微孔。到目前為止，國(guó)內(nèi)外商品化的微孔膜約有十三類(lèi)，總計(jì)膜約有十三類(lèi)，總計(jì)400多種。多種。 1.2.2 微孔過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn)微孔過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn) a.孔徑均勻，過(guò)濾精度高，能將液體中所孔徑均勻，過(guò)濾精度高，能將液體中所有大于指定孔徑的微粒全部截留；有大于指定孔徑的微粒全部截留； b. 孔隙大，空隙率高達(dá)孔隙大，空隙率高達(dá)80%左右，因而左右，因而阻力小，其過(guò)濾速度較常規(guī)過(guò)濾介質(zhì)快幾十阻力小，其過(guò)濾速度較常規(guī)過(guò)濾介質(zhì)快幾十倍；倍； c. 濾膜

9、一般為高分子材料，過(guò)濾沒(méi)有纖濾膜一般為高分子材料，過(guò)濾沒(méi)有纖維和碎屑脫落，可得到高度純潔的濾液維和碎屑脫落，可得到高度純潔的濾液； d. 大于孔徑的微粒不會(huì)因壓力增加而穿大于孔徑的微粒不會(huì)因壓力增加而穿過(guò)濾膜過(guò)濾膜 ，當(dāng)壓力波動(dòng)時(shí)也不知影響過(guò)濾效率；，當(dāng)壓力波動(dòng)時(shí)也不知影響過(guò)濾效率； e.濾層薄，質(zhì)量小，對(duì)濾液或?yàn)V液中的濾層薄，質(zhì)量小，對(duì)濾液或?yàn)V液中的有效成分吸附量小，因而可減少貴重物料的有效成分吸附量小，因而可減少貴重物料的損失。損失。1.2.3微濾的應(yīng)用微濾的應(yīng)用 微濾可以分離溶液中微濾可以分離溶液中大于大于0.05um左右的左右的微細(xì)粒子，所以它的應(yīng)用很廣泛。微細(xì)粒子，所以它的應(yīng)用很廣泛

10、。（1）氣體，溶液和水的凈化過(guò)濾）氣體，溶液和水的凈化過(guò)濾 大氣中懸浮著塵埃，灰燼，纖維，毛發(fā)，花粉，大氣中懸浮著塵埃，灰燼，纖維，毛發(fā)，花粉，細(xì)菌，病毒等組成的混合物，他們很輕，能長(zhǎng)期懸細(xì)菌，病毒等組成的混合物，他們很輕，能長(zhǎng)期懸浮在大氣中。使用微濾膜可對(duì)其清潔過(guò)濾。浮在大氣中。使用微濾膜可對(duì)其清潔過(guò)濾。（2）食糖與酒類(lèi)的精致）食糖與酒類(lèi)的精致 微孔濾膜對(duì)食糖溶液和啤酒，黃酒等酒類(lèi)進(jìn)行微孔濾膜對(duì)食糖溶液和啤酒，黃酒等酒類(lèi)進(jìn)行過(guò)濾，可除去食糖中的雜質(zhì)，酒類(lèi)中的酵母，霉菌過(guò)濾，可除去食糖中的雜質(zhì)，酒類(lèi)中的酵母，霉菌和其微生物，提高食糖的純度，使酒類(lèi)產(chǎn)品清澈，和其微生物，提高食糖的純度，使酒類(lèi)產(chǎn)品

11、清澈，存放期延長(zhǎng)。存放期延長(zhǎng)。（3) 藥物中除菌和微粒藥物中除菌和微粒 熱壓法滅菌時(shí)，細(xì)菌的尸體仍留在藥品中，對(duì)熱壓法滅菌時(shí)，細(xì)菌的尸體仍留在藥品中，對(duì)于熱敏性藥物不能熱滅菌，對(duì)于這類(lèi)情況微濾有突于熱敏性藥物不能熱滅菌，對(duì)于這類(lèi)情況微濾有突出的優(yōu)點(diǎn)，常溫操作不至于引起藥物的損失和變性，出的優(yōu)點(diǎn)，常溫操作不至于引起藥物的損失和變性，細(xì)菌被截留無(wú)細(xì)菌尸體殘留在藥物中。細(xì)菌被截留無(wú)細(xì)菌尸體殘留在藥物中。 （4）生物和微生物檢測(cè)，化驗(yàn)和診斷）生物和微生物檢測(cè)，化驗(yàn)和診斷 生物化學(xué)和微生物的研究中，可用不同生物化學(xué)和微生物的研究中，可用不同孔徑的微孔濾膜收集細(xì)菌，酶，蛋白質(zhì)等，孔徑的微孔濾膜收集細(xì)菌，酶

12、，蛋白質(zhì)等，以供檢查和分析，還可以用于藥品，飲料的以供檢查和分析，還可以用于藥品，飲料的無(wú)菌檢驗(yàn)等等。無(wú)菌檢驗(yàn)等等。1.3 超濾超濾 1.3.1 超濾及超濾膜超濾及超濾膜 超過(guò)濾簡(jiǎn)稱(chēng)超濾，超過(guò)濾簡(jiǎn)稱(chēng)超濾，是以壓力差為推動(dòng)力的是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程，分離截留的機(jī)理為篩分，膜分離過(guò)程，分離截留的機(jī)理為篩分，小于小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過(guò)膜上的微孔，大孔徑的微粒隨溶劑一起透過(guò)膜上的微孔，大于孔徑的微粒被截留。膜上微孔的尺寸和形于孔徑的微粒被截留。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離性質(zhì)。狀決定膜的分離性質(zhì)。 超濾膜為不對(duì)稱(chēng)膜，形式有平板式，卷超濾膜為不對(duì)稱(chēng)膜，形式有平板式，卷式，管式和中空纖維

13、狀等。超濾膜一般由式，管式和中空纖維狀等。超濾膜一般由表表面活性層，過(guò)渡層，支撐層面活性層，過(guò)渡層，支撐層三層組成。支撐三層組成。支撐層起支撐作用，提高膜的機(jī)械強(qiáng)度，膜的分層起支撐作用，提高膜的機(jī)械強(qiáng)度，膜的分離性能主要取決于表面活性層和過(guò)渡層。離性能主要取決于表面活性層和過(guò)渡層。 超濾膜的材料主要有超濾膜的材料主要有聚砜，聚酰胺，聚聚砜，聚酰胺，聚丙烯晴和醋酸纖維素丙烯晴和醋酸纖維素等，超過(guò)濾的工作條件等，超過(guò)濾的工作條件取決于膜的材質(zhì)。取決于膜的材質(zhì)。1.3.2 超濾的應(yīng)用超濾的應(yīng)用 超濾技術(shù)主要用于含超濾技術(shù)主要用于含分子量分子量500500000的微粒溶液的分離，是目前應(yīng)用最廣的膜分的

14、微粒溶液的分離，是目前應(yīng)用最廣的膜分離過(guò)程之一，他的應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工，食品，離過(guò)程之一，他的應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工，食品，醫(yī)藥，生化等。醫(yī)藥，生化等。 （1）純水的制備。超濾技術(shù)廣泛用于水）純水的制備。超濾技術(shù)廣泛用于水中細(xì)菌，病毒和其他異物的除去，用于制備中細(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(wú)菌高純飲用水，電子工業(yè)超凈水，和醫(yī)用無(wú)菌水等。水等。 （2）汽車(chē)，家具等制品電泳涂裝淋洗水的）汽車(chē)，家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。處理。 （3）食品中工業(yè)廢水的處理。）食品中工業(yè)廢水的處理。 （4）果汁，酒等飲料的消毒與澄清。）果汁，酒等飲料的消毒與澄清。 （5) 在醫(yī)藥

15、和生化工業(yè)中用于處理熱敏性在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質(zhì)，分離濃縮生物活性物質(zhì)，從生物中提物質(zhì)，分離濃縮生物活性物質(zhì)，從生物中提取藥物等。取藥物等。 （6）造紙廠的廢水處理）造紙廠的廢水處理1.4反滲透反滲透 1.4.1反滲透的原理反滲透的原理 如圖所示，如果將淡水和鹽水用一種只能透過(guò)如圖所示，如果將淡水和鹽水用一種只能透過(guò)水而不能透過(guò)溶質(zhì)的半透膜隔開(kāi)，淡水會(huì)自發(fā)的透水而不能透過(guò)溶質(zhì)的半透膜隔開(kāi)，淡水會(huì)自發(fā)的透過(guò)半透膜滲透至鹽水一側(cè)，這種現(xiàn)象叫過(guò)半透膜滲透至鹽水一側(cè)，這種現(xiàn)象叫滲透滲透。這一。這一過(guò)程的推動(dòng)力為水的滲透壓。過(guò)程的推動(dòng)力為水的滲透壓。 滲透達(dá)到平衡后在鹽測(cè)加壓使鹽水測(cè)大與純

16、水滲透達(dá)到平衡后在鹽測(cè)加壓使鹽水測(cè)大與純水測(cè)壓差大于滲透壓，那么鹽水中的水將通過(guò)半透膜測(cè)壓差大于滲透壓，那么鹽水中的水將通過(guò)半透膜流向純水側(cè)，這種現(xiàn)象叫流向純水側(cè)，這種現(xiàn)象叫反滲透。反滲透。1.4.2反滲透膜反滲透膜 反滲透膜主要是不對(duì)稱(chēng)膜，復(fù)合膜和中空反滲透膜主要是不對(duì)稱(chēng)膜，復(fù)合膜和中空纖維膜。反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素，纖維膜。反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素，聚酰胺，無(wú)機(jī)的多孔膜等。聚酰胺，無(wú)機(jī)的多孔膜等。 反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭(zhēng)論，反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭(zhēng)論，主要主要有氫鍵理論，選擇吸附有氫鍵理論，選擇吸附毛細(xì)管流動(dòng)毛細(xì)管流動(dòng)理論，溶解擴(kuò)散理論。理論，溶解擴(kuò)散理論。

17、1.4.3反滲透膜技術(shù)的應(yīng)用反滲透膜技術(shù)的應(yīng)用 反滲透過(guò)程是從溶液中分離出溶劑，并反滲透過(guò)程是從溶液中分離出溶劑，并且分離過(guò)程無(wú)相變化，不耗用化學(xué)樣品，因且分離過(guò)程無(wú)相變化，不耗用化學(xué)樣品，因此它的應(yīng)用范圍很廣。此它的應(yīng)用范圍很廣。 （1）以滲透液為產(chǎn)品，制取各種品質(zhì)的）以滲透液為產(chǎn)品，制取各種品質(zhì)的水，如海水，苦咸水的淡化制取生活用水，水，如海水，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。硬水軟化制備鍋爐用水，高純水的制備。 （2）在醫(yī)藥，食品工業(yè)中用以濃縮藥液，）在醫(yī)藥，食品工業(yè)中用以濃縮藥液，果汁，咖啡浸液等。果汁，咖啡浸液等。 （3）染印，食品，造紙等工業(yè)中用于處）

18、染印，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。理污水，回收利用廢液中有用的物質(zhì)等。1.4.3反滲透，超濾，微濾的比較反滲透，超濾，微濾的比較 反滲透，超濾，微濾都是以壓力差為推反滲透，超濾，微濾都是以壓力差為推動(dòng)力使溶劑通過(guò)膜分離的過(guò)程，他們組成了動(dòng)力使溶劑通過(guò)膜分離的過(guò)程，他們組成了分離溶液中的離子，分子到固體粒子的三級(jí)分離溶液中的離子，分子到固體粒子的三級(jí)膜分離過(guò)程。一般分離溶液中分子量小于膜分離過(guò)程。一般分離溶液中分子量小于500采用反滲透膜，分子量大于采用反滲透膜，分子量大于500選擇超濾選擇超濾膜。分離溶液中的直徑膜。分離溶液中的直徑0.110um的例子選擇的例子

19、選擇微孔膜。但三者分界不嚴(yán)格，它們之間可能微孔膜。但三者分界不嚴(yán)格，它們之間可能存在一定重疊。存在一定重疊。1.5 離子交換膜離子交換膜 1.5.1離子交換膜的分類(lèi)離子交換膜的分類(lèi) （1）按可交換離子性質(zhì)分類(lèi)可分為）按可交換離子性質(zhì)分類(lèi)可分為陽(yáng)離子陽(yáng)離子交換膜，陰離子交換膜和雙極離子交換膜交換膜，陰離子交換膜和雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對(duì)應(yīng)為陽(yáng)離子，這三種膜的可交換離子分別對(duì)應(yīng)為陽(yáng)離子，陰離子和陰陽(yáng)離子。陰離子和陰陽(yáng)離子。 （2）按膜的結(jié)構(gòu)和功能分類(lèi)可將離子交換膜分為）按膜的結(jié)構(gòu)和功能分類(lèi)可將離子交換膜分為普通離子交換膜，雙極離子交換膜和鑲嵌膜。普通離子交換膜，雙極離子交換膜和鑲

20、嵌膜。 普通離子交換膜一般為均相膜，利用其對(duì)一普通離子交換膜一般為均相膜，利用其對(duì)一價(jià)離子的選擇性滲透進(jìn)行海水濃縮脫鹽；雙極離子價(jià)離子的選擇性滲透進(jìn)行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜有陽(yáng)離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，交換膜有陽(yáng)離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜有排列整齊的陰陽(yáng)主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜有排列整齊的陰陽(yáng)離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進(jìn)行鹽的濃縮，離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進(jìn)行鹽的濃縮，有機(jī)物質(zhì)的分離等。有機(jī)物質(zhì)的分離等。 1.5.2離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用和工作原理離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用和工作原理 （1）電滲析）電滲析 在鹽水的水溶液中置入陰陽(yáng)兩個(gè)電極，在

21、鹽水的水溶液中置入陰陽(yáng)兩個(gè)電極，并施加電場(chǎng)，則溶液中的陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，并施加電場(chǎng)，則溶液中的陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽(yáng)極移動(dòng)，這一過(guò)程叫陰離子向陽(yáng)極移動(dòng)，這一過(guò)程叫電泳電泳。如果。如果在陰陽(yáng)兩極之間插入一張離子交換膜，則陽(yáng)在陰陽(yáng)兩極之間插入一張離子交換膜，則陽(yáng)離子或陰離子會(huì)選擇性通過(guò)膜，這一過(guò)程叫離子或陰離子會(huì)選擇性通過(guò)膜，這一過(guò)程叫電滲析電滲析。 電滲析的核心是離子交換膜。在直流電電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場(chǎng)的作用下以電位差為推動(dòng)力，利用離子交場(chǎng)的作用下以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從溶液中分離換膜的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)溶液的談化，濃

22、縮及鈍化；也可出來(lái)，實(shí)現(xiàn)溶液的談化，濃縮及鈍化；也可以實(shí)現(xiàn)鹽的電解，制備氫氣和氫氧化鈉等。以實(shí)現(xiàn)鹽的電解，制備氫氣和氫氧化鈉等。（2）加壓滲析）加壓滲析 在離子交換膜的一面加壓可增加電動(dòng)勢(shì)。在離子交換膜的一面加壓可增加電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)與膜兩側(cè)的壓力差有關(guān)。這個(gè)關(guān)系式電動(dòng)勢(shì)與膜兩側(cè)的壓力差有關(guān)。這個(gè)關(guān)系式可表達(dá)為：可表達(dá)為：= -p，其中，其中值是電滲析值是電滲析參數(shù)，對(duì)陰離子交換膜為負(fù)值，對(duì)陽(yáng)離子交參數(shù)，對(duì)陰離子交換膜為負(fù)值，對(duì)陽(yáng)離子交換膜為正值。換膜為正值。（3）膜電解）膜電解 膜電解的基本原理可以通過(guò)膜電解的基本原理可以通過(guò)NaCl水溶液的電水溶液的電解來(lái)說(shuō)明。在兩個(gè)電極之間加上一定電壓，則

23、極性解來(lái)說(shuō)明。在兩個(gè)電極之間加上一定電壓，則極性生成氯氣，陽(yáng)極生成氫氣和氫氧化鈉。陽(yáng)離子交換生成氯氣，陽(yáng)極生成氫氣和氫氧化鈉。陽(yáng)離子交換膜允許膜允許Na+滲透進(jìn)入陽(yáng)極室，同時(shí)阻攔了氫氧根離滲透進(jìn)入陽(yáng)極室，同時(shí)阻攔了氫氧根離子向陰極的運(yùn)動(dòng)，在陽(yáng)極室的反應(yīng)：子向陰極的運(yùn)動(dòng)，在陽(yáng)極室的反應(yīng)： 用氟代烴單極或極膜制備的的電滲析器已用氟代烴單極或極膜制備的的電滲析器已成為用于制備氫氧化鈉的主要方法，取代了成為用于制備氫氧化鈉的主要方法，取代了其他制備氫氧化鈉的制備。其他制備氫氧化鈉的制備。 如果在膜的一面涂上一層陰極的催化，在如果在膜的一面涂上一層陰極的催化，在另一面涂一層陽(yáng)極催化在這兩個(gè)電極上加上另一

24、面涂一層陽(yáng)極催化在這兩個(gè)電極上加上的電壓，則可電解水，在陽(yáng)極產(chǎn)生氫氣，而的電壓，則可電解水，在陽(yáng)極產(chǎn)生氫氣，而在陰極生產(chǎn)氧氣。在陰極生產(chǎn)氧氣。1.6 滲透蒸發(fā)技術(shù)滲透蒸發(fā)技術(shù) 滲透蒸發(fā)式近十年來(lái)頗為人注目的一項(xiàng)膜滲透蒸發(fā)式近十年來(lái)頗為人注目的一項(xiàng)膜分離技術(shù)。在傳統(tǒng)分離手段難以處理的共沸物、分離技術(shù)。在傳統(tǒng)分離手段難以處理的共沸物、近沸點(diǎn)物系的分離及微量水的脫除等領(lǐng)域中顯近沸點(diǎn)物系的分離及微量水的脫除等領(lǐng)域中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其一次分離度高、實(shí)施簡(jiǎn)單其一次分離度高、實(shí)施簡(jiǎn)單無(wú)污染、低能耗無(wú)污染、低能耗，尤其是與精餾、萃取、吸收、，尤其是與精餾、萃取、吸收、結(jié)晶等傳統(tǒng)分離手段相結(jié)合

25、，顯示出強(qiáng)大的生結(jié)晶等傳統(tǒng)分離手段相結(jié)合，顯示出強(qiáng)大的生命力。命力。1.6.1 滲透蒸發(fā)過(guò)程滲透蒸發(fā)過(guò)程 滲透蒸發(fā)的實(shí)質(zhì)是利用高分子膜的選擇性滲透蒸發(fā)的實(shí)質(zhì)是利用高分子膜的選擇性透過(guò)來(lái)分離液體混合物透過(guò)來(lái)分離液體混合物。如圖所示：。如圖所示： 滲透蒸發(fā)所用的膜是滲透蒸發(fā)所用的膜是致密的高分子膜致密的高分子膜，描，描述滲透蒸發(fā)過(guò)程的兩個(gè)過(guò)程的兩個(gè)基本參數(shù)述滲透蒸發(fā)過(guò)程的兩個(gè)過(guò)程的兩個(gè)基本參數(shù)是滲透通量是滲透通量J（g/m2h）及分離系數(shù)）及分離系數(shù)。1.6.2 滲透蒸發(fā)膜滲透蒸發(fā)膜 滲透蒸發(fā)膜是整個(gè)滲透蒸發(fā)膜是整個(gè)PV過(guò)程的關(guān)鍵部分，過(guò)程的關(guān)鍵部分，所以目前國(guó)內(nèi)外的研究大部分都集中于所以目前國(guó)內(nèi)

26、外的研究大部分都集中于PV膜膜的開(kāi)發(fā)上。膜性能是由膜的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)決的開(kāi)發(fā)上。膜性能是由膜的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)決定。化學(xué)結(jié)構(gòu)指膜的高分子鏈的種類(lèi)與空間定。化學(xué)結(jié)構(gòu)指膜的高分子鏈的種類(lèi)與空間構(gòu)型，物理結(jié)構(gòu)指膜的孔度、孔的分布、形構(gòu)型，物理結(jié)構(gòu)指膜的孔度、孔的分布、形狀、以及結(jié)晶度、交聯(lián)度、分子鏈的取向等，狀、以及結(jié)晶度、交聯(lián)度、分子鏈的取向等，這決定于膜的制備過(guò)程。這決定于膜的制備過(guò)程。衡量一張膜的實(shí)用衡量一張膜的實(shí)用性有以下四個(gè)指標(biāo)性有以下四個(gè)指標(biāo)：膜的選擇性；膜的選擇性；膜的膜的滲透通量；滲透通量；膜的機(jī)械強(qiáng)度；膜的機(jī)械強(qiáng)度；膜的穩(wěn)定性。膜的穩(wěn)定性。所以，在膜的開(kāi)發(fā)中必須將這四個(gè)因素綜合所以，在膜

27、的開(kāi)發(fā)中必須將這四個(gè)因素綜合起來(lái)考慮。起來(lái)考慮。（1）PV膜材料的選擇膜材料的選擇 膜是否具有良好的膜是否具有良好的選擇性選擇性是首先要考慮的。是首先要考慮的?；谌芙鈹U(kuò)散理論。只有對(duì)需要分離的基于溶解擴(kuò)散理論。只有對(duì)需要分離的某組分某組分有親和性的高分子物質(zhì)才有可能作為膜材料。有親和性的高分子物質(zhì)才有可能作為膜材料。D.R.Uoyd把滲透組分與膜之間的作用因素歸把滲透組分與膜之間的作用因素歸結(jié)為四種：色散力、偶極力、氫鍵、空間位阻、結(jié)為四種：色散力、偶極力、氫鍵、空間位阻、并給出了一個(gè)基于并給出了一個(gè)基于Hannsen溶解度參數(shù)分量的溶解度參數(shù)分量的判據(jù)：判據(jù)： IM越小，表明膜與組分越小，

28、表明膜與組分的親和力越的親和力越大。對(duì)于待分離的大。對(duì)于待分離的A、B混合物，以混合物，以AM/BM作為衡量膜的溶解選擇性的尺度，作為衡量膜的溶解選擇性的尺度，因此可作為膜材料選擇的一個(gè)基礎(chǔ)。因此可作為膜材料選擇的一個(gè)基礎(chǔ)。比如要比如要是是A組分透過(guò)組分透過(guò)B組分滯留，則要選擇一種膜使組分滯留，則要選擇一種膜使AM/BM最小。最小。（2）PV膜的制備膜的制備 膜的制備過(guò)程與上述四個(gè)指標(biāo)關(guān)系很大，鑄膜液膜的制備過(guò)程與上述四個(gè)指標(biāo)關(guān)系很大，鑄膜液濃度，所用溶劑，成膜環(huán)境，脫溶劑的方法、步驟、濃度，所用溶劑，成膜環(huán)境，脫溶劑的方法、步驟、條件都可能對(duì)最終的膜性能產(chǎn)生影響。根據(jù)制備工藝條件都可能對(duì)最終

29、的膜性能產(chǎn)生影響。根據(jù)制備工藝的不同，滲透蒸發(fā)膜可分為三類(lèi)：對(duì)稱(chēng)膜、非對(duì)稱(chēng)膜、的不同，滲透蒸發(fā)膜可分為三類(lèi)：對(duì)稱(chēng)膜、非對(duì)稱(chēng)膜、復(fù)合膜。復(fù)合膜。 對(duì)稱(chēng)膜是基于對(duì)稱(chēng)膜是基于Loeb-Sourirajan的的相轉(zhuǎn)化法相轉(zhuǎn)化法制成制成的具有表面致密層的多孔膜。表面的致密層主宰膜的的具有表面致密層的多孔膜。表面的致密層主宰膜的分離性能，而多孔層只起一個(gè)支撐作用。相轉(zhuǎn)化法包分離性能，而多孔層只起一個(gè)支撐作用。相轉(zhuǎn)化法包括以下四步：將鑄膜液在玻璃板上流涎成膜，講膜中括以下四步：將鑄膜液在玻璃板上流涎成膜，講膜中溶劑部分揮發(fā)，一起放入凝膠液中使凝膠化，脫除膜溶劑部分揮發(fā)，一起放入凝膠液中使凝膠化，脫除膜中殘余

30、溶劑與凝膠化劑。中殘余溶劑與凝膠化劑。 研究表明，影響非對(duì)稱(chēng)膜性能的主要因素研究表明，影響非對(duì)稱(chēng)膜性能的主要因素是：鑄膜液濃度及溶劑、凝膠化劑、凝膠化溫是：鑄膜液濃度及溶劑、凝膠化劑、凝膠化溫度、凝膠化前后膜的干燥方式。度、凝膠化前后膜的干燥方式。 復(fù)合膜是將超薄的致密活性層附在一層多復(fù)合膜是將超薄的致密活性層附在一層多孔、惰性但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的支撐層上，最下面再附孔、惰性但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的支撐層上，最下面再附以一層纖維布予以增強(qiáng)，這樣既以一層纖維布予以增強(qiáng)，這樣既由于致密層的由于致密層的變薄增加了滲透速率，又有足夠的機(jī)械強(qiáng)度變薄增加了滲透速率，又有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。（3）滲透蒸發(fā)膜）滲透蒸發(fā)膜 膜材料大體

31、上分為兩類(lèi)，一類(lèi)是天然高分子物質(zhì)，膜材料大體上分為兩類(lèi)，一類(lèi)是天然高分子物質(zhì)，另一類(lèi)是合成高分子物質(zhì)。另一類(lèi)是合成高分子物質(zhì)。 天然高分子膜有醋酸纖維素、羧甲基纖維素、膠天然高分子膜有醋酸纖維素、羧甲基纖維素、膠原、殼聚糖等。這類(lèi)膜的特點(diǎn)是親水性耗，對(duì)水的分原、殼聚糖等。這類(lèi)膜的特點(diǎn)是親水性耗，對(duì)水的分離系數(shù)高，通量液不低，對(duì)分離醇離系數(shù)高，通量液不低，對(duì)分離醇-水溶液很有效。水溶液很有效。這類(lèi)膜的機(jī)械強(qiáng)度較差，往往被水溶液溶脹，以致市這類(lèi)膜的機(jī)械強(qiáng)度較差，往往被水溶液溶脹，以致市區(qū)機(jī)械性能。區(qū)機(jī)械性能。 合成高分子膜合成高分子膜PE、PP、PSt等非極性膜等非極性膜材料大多被用于分離烴類(lèi)有機(jī)

32、物，但選擇性材料大多被用于分離烴類(lèi)有機(jī)物，但選擇性一般較低。一般較低。 考慮到包括滲透速率、選擇性、機(jī)械強(qiáng)考慮到包括滲透速率、選擇性、機(jī)械強(qiáng)度、耐溶劑性等綜合膜性能的要求，度、耐溶劑性等綜合膜性能的要求，往往單往往單一的均聚物不能滿(mǎn)足要求，一的均聚物不能滿(mǎn)足要求，采用具有不同官采用具有不同官能團(tuán)分子的接枝、共聚、復(fù)合、交聯(lián)、共混能團(tuán)分子的接枝、共聚、復(fù)合、交聯(lián)、共混的方式可有效地改善膜性能，包括應(yīng)用的方式可有效地改善膜性能，包括應(yīng)用射線(xiàn)射線(xiàn)輻射照接枝、等離子體聚合等較先進(jìn)的手段。輻射照接枝、等離子體聚合等較先進(jìn)的手段。如復(fù)合于交聯(lián)只在提高膜的機(jī)械性能，同時(shí)如復(fù)合于交聯(lián)只在提高膜的機(jī)械性能，同時(shí)

33、對(duì)通量有較大的影響。對(duì)通量有較大的影響。 膜材料的接枝、共聚或共混的方式主要膜材料的接枝、共聚或共混的方式主要是改善通量或選擇性為出發(fā)點(diǎn)是改善通量或選擇性為出發(fā)點(diǎn)。其基本概念。其基本概念就是使膜中加入與某分離組分有較強(qiáng)親和力就是使膜中加入與某分離組分有較強(qiáng)親和力的基團(tuán)或組分，以提高通量或選擇性，同時(shí)的基團(tuán)或組分，以提高通量或選擇性，同時(shí)也增加了膜的抗溶脹性。也增加了膜的抗溶脹性。1.6.3 滲透蒸發(fā)的應(yīng)用滲透蒸發(fā)的應(yīng)用 滲透蒸發(fā)作為一種滲透蒸發(fā)作為一種無(wú)污染、能效高無(wú)污染、能效高的膜分的膜分離過(guò)程已經(jīng)引起了廣泛的興趣，具有廣泛的應(yīng)離過(guò)程已經(jīng)引起了廣泛的興趣，具有廣泛的應(yīng)用前景。用前景。 一是用

34、親水膜或荷電膜對(duì)醇類(lèi)或其他有機(jī)一是用親水膜或荷電膜對(duì)醇類(lèi)或其他有機(jī)溶劑進(jìn)行脫水；溶劑進(jìn)行脫水； 二是利用憎水膜除去水中的少量有機(jī)物，二是利用憎水膜除去水中的少量有機(jī)物，以及對(duì)石油工業(yè)中的烴類(lèi)有機(jī)物進(jìn)行分離，此以及對(duì)石油工業(yè)中的烴類(lèi)有機(jī)物進(jìn)行分離，此外液可以用于制藥行業(yè)中的溶劑回收；外液可以用于制藥行業(yè)中的溶劑回收； 三是用于有機(jī)合成。三是用于有機(jī)合成。1.7 氣體分離膜氣體分離膜1.7.1 氣體分離膜的分離機(jī)理氣體分離膜的分離機(jī)理 氣體分離膜有兩種類(lèi)型：非多孔均質(zhì)膜和氣體分離膜有兩種類(lèi)型：非多孔均質(zhì)膜和多孔膜。它們的分離機(jī)理各不相同。多孔膜。它們的分離機(jī)理各不相同。（1）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴(kuò)散

35、機(jī)理）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴(kuò)散機(jī)理 該理論認(rèn)為，氣體選擇性透過(guò)非多孔均質(zhì)該理論認(rèn)為，氣體選擇性透過(guò)非多孔均質(zhì)膜分四步進(jìn)行：氣體與膜接觸，分子溶解在膜膜分四步進(jìn)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(jìn)行活性擴(kuò)散，中，溶解的分子由于濃度梯度進(jìn)行活性擴(kuò)散，分子在膜的另一次逸出。分子在膜的另一次逸出。 根據(jù)這一機(jī)理，研究結(jié)論如下：根據(jù)這一機(jī)理，研究結(jié)論如下： 氣體的透過(guò)量氣體的透過(guò)量q與擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)D、溶解度系數(shù)、溶解度系數(shù)S和氣體滲透系數(shù)成正比。而這些參數(shù)與膜材料和氣體滲透系數(shù)成正比。而這些參數(shù)與膜材料的性質(zhì)直接相關(guān)。的性質(zhì)直接相關(guān)。 在穩(wěn)態(tài)時(shí)，氣體透過(guò)量在穩(wěn)態(tài)時(shí)，氣體透過(guò)量q

36、與膜面積與膜面積A和時(shí)間和時(shí)間t成正比成正比 氣體透過(guò)量與膜的厚度氣體透過(guò)量與膜的厚度l成反比。成反比。（2）多孔膜的透過(guò)擴(kuò)散機(jī)理）多孔膜的透過(guò)擴(kuò)散機(jī)理 用多孔膜分離混合氣體，用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種是借助于各種氣體流過(guò)膜中細(xì)孔時(shí)產(chǎn)生的速度差氣體流過(guò)膜中細(xì)孔時(shí)產(chǎn)生的速度差來(lái)進(jìn)行的。來(lái)進(jìn)行的。 流體的流動(dòng)用努森系數(shù)流體的流動(dòng)用努森系數(shù)Kn表示時(shí)，有三表示時(shí)，有三種情況：種情況：Kn1屬粘性流動(dòng)；屬粘性流動(dòng)；Kn1屬分子流屬分子流動(dòng)；動(dòng)；Kn=1屬中間流動(dòng)。屬中間流動(dòng)。 多孔膜分離混合氣體主要發(fā)生在多孔膜分離混合氣體主要發(fā)生在Kn1時(shí)，時(shí)，這時(shí)氣體分子之間幾乎不發(fā)生碰撞，而僅在這時(shí)氣體分

37、子之間幾乎不發(fā)生碰撞，而僅在細(xì)孔內(nèi)壁間反復(fù)碰撞，并呈獨(dú)立飛行狀態(tài)。細(xì)孔內(nèi)壁間反復(fù)碰撞，并呈獨(dú)立飛行狀態(tài)。1.7.2 不同結(jié)構(gòu)材料對(duì)透氣性的影響不同結(jié)構(gòu)材料對(duì)透氣性的影響 不同結(jié)構(gòu)材料的氣體透過(guò)率不同結(jié)構(gòu)材料的氣體透過(guò)率P，擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)D和溶解系數(shù)和溶解系數(shù)S的數(shù)據(jù)總結(jié)出化學(xué)結(jié)構(gòu)與透氣的數(shù)據(jù)總結(jié)出化學(xué)結(jié)構(gòu)與透氣性的一些定性規(guī)律，性的一些定性規(guī)律，大的側(cè)基大的側(cè)基-CH3，-C(Me)3，-Si(Me)3 ，有利于增加自由體積而使，有利于增加自由體積而使P增加。增加。1.7.3 氣體分離膜的應(yīng)用氣體分離膜的應(yīng)用（1）H2，He的分離富集的分離富集（2）O2，N2的分離富集的分離富集（3）CO

38、2,SO2,H2O回收和脫除回收和脫除1.8 液膜分離液膜分離1.8.1 液膜的結(jié)構(gòu)液膜的結(jié)構(gòu)（1）膜溶劑）膜溶劑 它是成膜的基體物質(zhì)它是成膜的基體物質(zhì)。選擇膜溶。選擇膜溶劑主要考慮膜的穩(wěn)定性和對(duì)溶劑的溶解性。劑主要考慮膜的穩(wěn)定性和對(duì)溶劑的溶解性。（2）表面活性劑）表面活性劑 表面活性劑又稱(chēng)界面活性表面活性劑又稱(chēng)界面活性劑，是分子中含有親水基和疏水基兩個(gè)部分劑，是分子中含有親水基和疏水基兩個(gè)部分的化合物，可以定向排列，的化合物，可以定向排列，能顯著地改變液能顯著地改變液體表面張力或相互間界面張力，體表面張力或相互間界面張力，是制造液膜是制造液膜固定油水分界面的最重要的組分，它直接影固定油水分界

39、面的最重要的組分，它直接影響膜的穩(wěn)定性、滲透速度和膜的復(fù)用。響膜的穩(wěn)定性、滲透速度和膜的復(fù)用。（3）流動(dòng)載體）流動(dòng)載體 它的作用使它的作用使指定的溶質(zhì)或離子指定的溶質(zhì)或離子進(jìn)行選擇性遷移，進(jìn)行選擇性遷移，因此其對(duì)分離指定的溶質(zhì)或因此其對(duì)分離指定的溶質(zhì)或離子的選擇性和通量起決定性作用，它的研究離子的選擇性和通量起決定性作用，它的研究是液膜分離的關(guān)鍵。是液膜分離的關(guān)鍵。（4）膜增強(qiáng)添加劑）膜增強(qiáng)添加劑 其作用使膜具有合適的穩(wěn)其作用使膜具有合適的穩(wěn)定性，即要求液膜在分離操作過(guò)程中不過(guò)早破定性，即要求液膜在分離操作過(guò)程中不過(guò)早破裂，以保證待分離溶質(zhì)在內(nèi)相中富集，而在破裂，以保證待分離溶質(zhì)在內(nèi)相中富集，而在破乳時(shí)又容易被破碎，便于內(nèi)相與膜相的分離。乳時(shí)又容易被破碎，便于內(nèi)相與膜相的分離。1.8.2 液膜的類(lèi)型液膜的類(lèi)型液膜從形態(tài)上可分為隔膜形和球膜形兩種，隔膜液膜從形態(tài)上可分為隔膜形和球膜形兩種，隔膜形又叫支撐