高分子功能膜材料

1、第八章 高分子功能膜材料膜是一種能夠分隔兩相界面，并以特定的形式限制和傳遞各種物質(zhì)的二維材料，在自然界中隨處可見(jiàn)。自然存在的膜有生物膜，膜也可以人工制作，如高分子合成膜。膜可以是均相的，也可以是非均相的；可以是對(duì)稱的，也可以是非對(duì)稱的；可以是固體的，也可以是液體的；可以是中性的，也可以是帶電荷的。膜的厚度可從幾微米到幾毫米不等。隨著科學(xué)的進(jìn)展，越來(lái)越多的人工合成膜相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，起到分別和選擇透過(guò)等重要作用。高分子功能膜作為人工合成膜中的重要一員，在藥物緩釋、膜修飾電極、氣體分別等領(lǐng)域表現(xiàn)出特別的分別功能，并因其寬闊的應(yīng)用前景而受到極大的關(guān)注。本章將主要爭(zhēng)辯高分子功能膜的分別

2、原理，并以主要的分別膜為代表，介紹其制備方法和應(yīng)用。8,1概述高分子分別膜的分類高分子分別膜是具有分別功能，即具有特別傳質(zhì)功能的高分子材料，又稱為高分子功能膜。其形態(tài)有固態(tài)，也有液態(tài)。高分子分別膜的種類和功能繁多，不行能用單一的方法來(lái)明確分類，現(xiàn)有的分類既可以從被分別物質(zhì)的角度分，也可以從膜的外形、材料等角度分，目前主要有以下幾種分類方式。按被分別物質(zhì)性質(zhì)分類依據(jù)被分別物質(zhì)的性質(zhì)可以將分別膜分為氣體分別膜、液體分別膜、固體分別膜、離子分別膜和微生物分別膜等。按膜形態(tài)分類(flat membrane)、管式膜(tubular membrane)、中空纖維膜(hollow fiber)、毛細(xì)管膜以

3、及具有垂直于膜外表的圓柱形孔的核徑蝕刻膜等。液膜是液體高分子在液體和氣體或液體和液體相界面之間形成的膜。按膜的材料分類從膜材料的來(lái)源來(lái)看，分別膜可以是自然的也可以是合成的，或者是自然物質(zhì)改性或再生的。不同的膜材料具有不同的成膜性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸、耐堿、耐氧化劑和耐微生物侵蝕等，而且膜材料對(duì)被分別介質(zhì)也具有肯定的選擇性。這類膜可以進(jìn)一步分為以下幾類。要有再生纖維素、硝酸纖維素、二醋酸纖維素和三醋酸纖維素、乙基纖維素等。聚烯烴類 聚烯烴及其衍生物是重要的高分子聚合物，很多都可以用于制備氣體分別膜，如低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基-1-戊烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈等。聚酯類

4、 滌綸、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯這類樹(shù)脂強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐熱和耐溶劑性優(yōu)良，被廣泛用于制備分別膜的支撐增加材料。聚酰亞胺類 尼龍-6 和尼龍-66 是這一類分別膜材料的代表，常用于反滲透膜和氣體分別膜的支撐底布，芳香族聚酰胺是其次代反滲透膜材料，用于中空纖維膜的制備。含氟聚酰亞胺作為具有有用前景的氣體分別膜材料目前處于開(kāi)發(fā)階段。用聚酰胺類制備的膜，具有良好的分別與透過(guò)性能，且耐高壓、耐高溫、耐溶劑，是制備耐溶劑超濾膜和非水溶液分別膜的首選材料，缺點(diǎn)是耐氯性能較差。聚砜類 這類材料包括聚砜、聚醚砜、聚芳醚砜、磺化聚砜等，是高機(jī)械強(qiáng)度的工程塑料，具有耐酸、耐堿的優(yōu)點(diǎn)，多用于超濾膜和氣體分

5、別膜的制備，較少用于微濾，可在80下長(zhǎng)期使用，缺點(diǎn)是耐有機(jī)溶劑的性能較差。含氟聚合物 主要包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等，這類膜材料耐腐蝕性優(yōu)異，適合于電滲析等高腐蝕場(chǎng)所。其他材料 甲殼素是自然高分子中的一種可以用來(lái)制備離子交換膜和螯合膜的材料。有機(jī)硅聚合物和聚醚酮類近年來(lái)也開(kāi)頭廣泛用于滲透汽化膜、荷電超濾膜和離子交換膜的制備。按膜體構(gòu)造和斷面形態(tài)分類按膜體構(gòu)造主要分為致密膜、多孔膜、乳化膜。致密膜又稱為密度膜，通常是指孔徑 小于 l nm 的膜，多用于電滲析、反滲透、氣體分別、滲透汽化等領(lǐng)域；多孔膜可分為微孔膜和大孔膜，主要用于混臺(tái)物水溶液的分別，如滲透、微濾、超濾、納濾和親和膜等。按膜的構(gòu)造

6、分類， 可以分為對(duì)稱膜(symmetric membrane)和非對(duì)稱膜(asymmetricmembrane)。對(duì)稱膜又稱為均質(zhì)膜，是一種均勻的薄膜，膜兩側(cè)截面的構(gòu)造及形態(tài)完全相 同，包括致密膜和對(duì)稱的多孔膜。非對(duì)稱膜是指膜主體有兩種或兩種以上的形貌構(gòu)造，是工業(yè)上運(yùn)用最多的分別膜。一體化非對(duì)稱膜是用同種材料制備、厚度為0.10.5 50150 納米的多孔支撐層構(gòu)成，其支撐層構(gòu)造具有肯定的強(qiáng)度，在較高壓力下液不會(huì)引起很大的形變。在多孔支撐層上掩蓋一層不同材料的致密皮層就構(gòu)成復(fù)合膜。對(duì)于復(fù)合膜，可優(yōu)選不同的膜材料制備致密皮層與多孔支撐層，使每一層獨(dú)立，從而發(fā)揮最大作用。非對(duì)稱膜的分別主要或完全由

7、很薄的皮層打算，傳質(zhì)阻力小，其透過(guò)速率較對(duì)稱膜高很多。按膜分別過(guò)程分類按膜分別過(guò)程分類時(shí)，主要參照被分別物質(zhì)的粒度大小及分別過(guò)程承受的附加條件， 壓力、電場(chǎng)等?？梢詫⒛ぶ饕譃橐韵聨状箢愇V膜 微濾膜(microfiltrtion，MF)具有比較整齊均勻的多孔構(gòu)造，膜孔徑范圍在0. 0520 70%80%107108 個(gè)cm2，分別過(guò)程主要0. 010. 2MPa。因此，分別阻力小，過(guò)濾速度快，主要用于從氣相、懸浮液和乳濃液中截留微米級(jí)或亞微米級(jí)的細(xì)小懸浮物、微生物、細(xì)菌、酵母、微粒等，在無(wú)菌液體制備、超純水制備、空氣的過(guò)濾以及生物檢測(cè)等方面有寬闊市場(chǎng)。(phase-inversion pro

8、cess)、輻射固化法、溶出法、拉伸法(melt extruded)、燒結(jié)法(sintered process)、核徑跡蝕刻法和陽(yáng)極氧化法等。超濾膜 超濾是一種篩孔分別過(guò)程，即在肯定壓力作用下，對(duì)含有大、小分子溶質(zhì)的溶液使溶劑和小分子溶質(zhì)透過(guò)膜，而大分子溶質(zhì)被膜截留，作為濃縮液被回收。超濾膜(uitrafiltration，UF)8-2所示。超濾膜也屬于多孔膜的一種，膜孔徑范圍為1 nm0. 05 60%左右，0.20. 4MPa0.55m3/m2.d，最適于處理溶液中溶質(zhì)的分別和增濃，或承受其他分別技術(shù)所難以完成的膠狀懸浮液的分別。超濾膜多數(shù)為相轉(zhuǎn)化法制備的非對(duì)稱膜，極薄的外表層具有肯定孔徑

9、，起篩分作用；下層是具有海綿狀或指狀的多空層，起支撐作用見(jiàn)圖8-。納濾膜 納濾膜(nanofiltration，NF)1.5MPa、截留相對(duì)分子質(zhì)2001000、NaCl 的截留率90%25nm，介于超濾膜和反滲透膜之間，對(duì)高價(jià)態(tài)離子有較高的截留率。與反滲透相比，到達(dá)一樣的滲透量，納濾的操作0. 5-3MPa作支撐，芳香族聚酰胺膜組成致密表層的三維交聯(lián)復(fù)合膜，其表層較反滲透膜的表層要疏松得多，但比超濾膜的要致密得多。因此，制膜關(guān)鍵是合理調(diào)整表層的疏松程度，以形成大量具納米級(jí)的表層孔。大局部納濾膜外表帶荷電，其分別行為受到溶質(zhì)荷電狀態(tài)及其相互作用影響。納濾膜在高、低價(jià)態(tài)離子分別方面呈現(xiàn)獨(dú)特性能，

10、適用于水的凈化和軟化。(4)反滲透膜 反滲透(reverse osmosis，RO)膜是在反滲透過(guò)程中使用的膜。反滲透又稱為逆滲透，是利用只能透過(guò)溶劑通常是水的半透膜，以膜兩側(cè)的靜壓差為推動(dòng)力， 實(shí)現(xiàn)溶劑從高濃度向低濃度溶液流淌的分別過(guò)程。而滲透是在膜兩側(cè)的靜壓力相等的狀況下，溶液在自身化學(xué)位差的作用下自發(fā)地從稀溶液側(cè)通過(guò)膜集中到濃溶液中的過(guò)程。滲透使得高濃度測(cè)液位上升，到達(dá)平衡時(shí)，膜兩側(cè)的溶液壓力差為兩溶液的滲透壓差當(dāng)對(duì)濃溶液施壓，使得膜兩側(cè)靜壓差大于滲透壓時(shí)，就發(fā)生反滲透現(xiàn)象。反滲透膜多數(shù)為非對(duì)稱膜和復(fù)合膜，支撐層厚度50 微米，致密外表分別層只有0.2 微米，且?guī)缀鯚o(wú)孔，可以截留大0.1

11、1nm 的溶質(zhì)包括離子而使溶劑通過(guò)，操作壓力一般為l10MPa。上述幾種不同膜在分別過(guò)程中的差異如圖 8-5 所示，而且由于膜孔徑和孔隙率的差異其相應(yīng)的推動(dòng)力是不同的。透析膜 透析膜是在透析過(guò)程中使用的膜，一般是“無(wú)孔”的孔徑Inm 以下。透析(滲析是指膜兩側(cè)溶液中的小分子溶質(zhì)一般指中性分子在自身濃度差的推動(dòng)下由濃的一側(cè)透向稀側(cè)直至平衡，而大分子被半透膜截留的分別過(guò)程。為削減集中阻力，膜要 高度溶脹，但這會(huì)影響其選擇透過(guò)性。透析膜目前主要用于血液透析使用膜材料有再生纖 -(PAN)(PES)(PPO) 等。電滲析 用離子交換膜電滲析(electrodialysis membrance，ED)是

12、指在電場(chǎng)作用下，(ion exchange membrance)實(shí)現(xiàn) 分別膜的雙重作用下進(jìn)展分別。離子交換膜是電滲析的關(guān)鍵局部，是含有活性離子交換基團(tuán)的網(wǎng)狀立體構(gòu)造高分子薄膜，其化學(xué)組成與離子交換樹(shù)脂根本一樣。離子交換膜外觀要求應(yīng)當(dāng)平坦、光滑、均勻、沒(méi)有針孔。它對(duì)帶電被分別物質(zhì)的透過(guò)性影響有兩方面：一是膜的構(gòu)造和孔徑影響全部物質(zhì)的透過(guò)，二是膜的帶電性質(zhì)影響帶電離子的透過(guò)。電滲析系統(tǒng)由一系列平行穿插排列于兩極之間的陰、陽(yáng)離子交換膜所組成，這些陰、 陽(yáng)離子交換膜將電滲析系統(tǒng)分隔成假設(shè)干個(gè)彼此獨(dú)立的小室，其中與陽(yáng)極相接觸的隔離室稱 為陽(yáng)極室，與陰極相接觸的隔離室稱為陰極室，操作中離子削減的隔離室稱為

13、淡水室，離 子增多的隔離室稱為濃水室。如圖8-6 所示，在直流電場(chǎng)作用下，帶負(fù)電荷的陰離子即Cl- 向正極移動(dòng),但它只能通過(guò)陰膜進(jìn)入濃水室，而不能透過(guò)陽(yáng)膜，因而被截留于濃水室中。同理，帶正電荷的陽(yáng)離子即 Na+向負(fù)極移動(dòng)，通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入濃水室，并在陰膜的阻擋下截留于濃水室中。這樣，濃水室中的NaCl 濃度漸漸上升，出水為濃水；而淡水室中的NaCI 濃度漸漸下降出水為淡水，從而到達(dá)脫鹽的目的。氣體分別膜 氣體膜介離是指利用氣體混合物中各組分在膜中傳質(zhì)速率的不同使各組分分別的過(guò)程，其推動(dòng)力是膜兩側(cè)的壓力差，分別過(guò)程是溶解-集中-脫溶。氣體分別膜gas；separation，GS)有兩種類型：非多孔膜

14、包括均質(zhì)膜、非對(duì)稱膜、復(fù)合膜和多孔膜0.5l nm。用于氣體分別的多孔膜孔徑一般在530 nm，同，可以分為基于集中速率的分別和基于溶解度的分別。目前氣體分別膜多用于工業(yè)氣體中氫的回收、氧氮分別、氣體脫濕等滲透汽化膜 滲透汽化的膜(pervaporation, PVAP)可以分為兩大類：親水膜優(yōu)先和疏水膜優(yōu)先滲透有機(jī)組分不對(duì)稱膜和復(fù)合膜為削減蒸汽傳遞阻力并防止毛細(xì)管冷凝，要求亞層構(gòu)造較為疏松，外表孔隙率高且孔徑分布窄滲透汽化膜多項(xiàng)選擇用聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚醚砜、有機(jī)硅等材料來(lái)制備。使用領(lǐng)域包括有機(jī)溶劑脫水、有機(jī)物的分別以及水中有機(jī)物的脫除等。9液膜 處在液體與氣體或液體與液體相界

15、面的、具有半透過(guò)性的的膜。夜茉莉用選擇透過(guò)性原理，以膜兩側(cè)的溶質(zhì)化學(xué)濃度差為傳質(zhì)動(dòng)力，是原料中待分別溶質(zhì)在莫內(nèi)相腹肌濃縮，分別待分別物質(zhì)。8-7 固體支撐物做骨架的支撐液體形成膜 將含有被分別綴區(qū)分露料液作連續(xù)相，稱為相1；承受被分別組分的液體，稱為相 2；成膜1 進(jìn)入膜相，再轉(zhuǎn)入相 2，濃集于相2 液膜在烴類混合物分別、廢水處理、鈾礦浸出液中提取鈾以及金屬離子萃取等領(lǐng)域有寬闊的應(yīng)用市場(chǎng)。膜分別原理分別膜的主要用途是通過(guò)膜對(duì)不同物質(zhì)進(jìn)展分別。在膜科學(xué)中，分別膜對(duì)某些物質(zhì)可以透過(guò)，而對(duì)另外一些物質(zhì)不能透過(guò)或透過(guò)性較差的性質(zhì)稱為膜的半透性。由于膜對(duì)不同物質(zhì)的透過(guò)性不同以及不同膜對(duì)同一物質(zhì)的透過(guò)性不

16、同，可以使混合物中的某些組分選擇性地透過(guò)膜以到達(dá)分別、提純、濃縮等目的。在分別過(guò)程中，有的物質(zhì)簡(jiǎn)潔透過(guò)膜，有的物質(zhì)則較難，其緣由是它們與膜的相互作用機(jī)理不同，即膜分別原理不同。膜分別原理一般來(lái)說(shuō)有下面三種，其中主要是篩分作用張溶解集中機(jī)制。篩分機(jī)制篩分，類似于物理過(guò)篩過(guò)程，是指膜能夠機(jī)械截留比他孔徑大或孔徑相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)。被分別物質(zhì)能否通過(guò)篩網(wǎng)，取決于物質(zhì)的粒徑尺寸包括長(zhǎng)度。體積、外形和孔膜大小， 當(dāng)被分別物質(zhì)以分子狀態(tài)分散，分子的大小就是粒子的尺寸；假設(shè)以聚攏狀態(tài)存在，則粒子的尺寸為劇集態(tài)顆粒的尺寸。此外，物質(zhì)顆粒與膜之間的吸附和電性能、物質(zhì)顆粒自身之間的相互作用等因素對(duì)物質(zhì)的截留也有肯定影響。

17、圖 8-8 示意了微濾膜外表和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對(duì)顆粒的各種截留：機(jī)械截留是由篩分過(guò)程打算的，吸附截留是由于物質(zhì)顆粒與膜之間的相互作用產(chǎn)生的；架橋截留則是由物質(zhì)顆粒間的相互作用產(chǎn)生的，或是物質(zhì)顆粒與膜之間以及物質(zhì)顆粒闖共同作用產(chǎn)生的。電鏡觀看證明白膜孔的入口處微粒由于架橋作用被截留的狀況。除物質(zhì)分子大小以外，分子的構(gòu)造外形，剛性等對(duì)截留性能也有影響。當(dāng)分子量肯定時(shí)，剛性分子與易變形的分子相比、球形和有側(cè)鏈的分子與線形分子相比有更大的截留率。一般認(rèn)為，微濾膜和超濾膜的分別機(jī)理為篩分原理，主要依據(jù)膜孔的尺寸和被分別物質(zhì)顆粒的大小進(jìn)展選擇性透過(guò)l0t100 1000000道爾頓(1道爾頓1 原子質(zhì)量單位)。溶

18、解集中機(jī)制當(dāng)承受致密膜進(jìn)展分別時(shí)，其傳質(zhì)機(jī)理不同于多孔膜的篩分機(jī)制，而是溶解-集中機(jī)理(solution-diffusion theory)，即滲透物質(zhì)溶質(zhì)、溶劑首先經(jīng)吸附溶解進(jìn)入聚合物膜的上游一側(cè)，然后在濃度差或壓力差造成的化學(xué)位差推動(dòng)下以分子集中方式通過(guò)膜層，再?gòu)哪は掠我粋?cè)解吸脫落。在溶解集中機(jī)理中，溶解是分別過(guò)程的第一步，其速率取決于該溫度下小分子物質(zhì)在膜中的溶解度，聽(tīng)從 Herry 定律。影響溶解度的主要因素包括被分別物質(zhì)的極性、構(gòu)造相似酸堿性質(zhì)等。集中是分別過(guò)程的其次步，相對(duì)較慢，依據(jù)Fick 集中定律進(jìn)展，是把握步 般認(rèn)為，小分子在聚合物中的集中與高聚物分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)引起的自由體積

19、變化有關(guān)，自由體積愈大集中速率越快，上升溫度可以加快高分子鏈段運(yùn)動(dòng)從而加速集中，但不同小分子的選擇透過(guò)性則隨之降低。反滲透、氣體分別、滲透汽化主要依據(jù)這種機(jī)理進(jìn)展膜分別，納濾則介于篩分和溶解集中之間，截留水和非水溶液中不同尺寸的溶質(zhì)分子。選擇性吸附-毛細(xì)管流淌理論當(dāng)膜外表對(duì)被分別混合物中的某一組分的吸附力量較強(qiáng) 形成富集的吸附層，并在壓力下通過(guò)膜中的毛細(xì)孔，進(jìn)入到膜的另一側(cè)。與此相反，不容 易被吸附的組分將不簡(jiǎn)潔透過(guò)分別膜，從而實(shí)現(xiàn)分別。反滲透脫鹽就是以這種機(jī)理實(shí)現(xiàn)鹽和水分別。當(dāng)水溶液與具有毛細(xì)孔的親水膜相互接觸，由于膜的化學(xué)性質(zhì)，使它對(duì)水溶液中的溶質(zhì)具有排斥作用，導(dǎo)致靠近膜外表的濃度梯度急劇

20、下降，在膜的界面上形成一層被膜吸附的純水層。當(dāng)膜孔徑為純水膜厚的2 倍時(shí)，這層水在外加壓強(qiáng)的作用下進(jìn)入膜外表的毛細(xì)孔，并通過(guò)毛細(xì)孔沆出”89 所示。膜分別驅(qū)動(dòng)力量，即分別過(guò)程需要外加的驅(qū)動(dòng)力。 驅(qū)動(dòng)力是不同的。主動(dòng)傳遞意味著物質(zhì)的傳遞方向?yàn)槟婊瘜W(xué)位梯度方向，被傳遞物質(zhì)由低化學(xué)位相被傳遞到高化學(xué)位相，其推動(dòng)力是膜中某種化學(xué)反響釋放出的能量。促進(jìn)傳遞是指膜內(nèi)有特定載體，被傳遞的物質(zhì)與載體發(fā)生反響，從而由高化學(xué)位相帶人低化學(xué)位相， 這種傳遞過(guò)程有很高的選擇性。被動(dòng)傳遞則是物質(zhì)由高化學(xué)位一側(cè)向低化學(xué)位一側(cè)傳遞， 這兩相間的化學(xué)位差就是膜分別過(guò)程的推動(dòng)力。高分子功能膜分別過(guò)程均為被動(dòng)傳遞過(guò)程，需要給待分

21、別物質(zhì)施加肯定的推動(dòng)力。這種外加驅(qū)動(dòng)力是一種化學(xué)勢(shì)梯度，主要包括壓力梯度、濃度梯度、電勢(shì)梯度或溫度梯度。(1)端。這種驅(qū)動(dòng)力為壓力差驅(qū)動(dòng)力，是一種外源性驅(qū)動(dòng)力。微濾、超濾、納濾、反滲透等膜過(guò)程多承受壓力差驅(qū)動(dòng)力，但不同的膜過(guò)程的壓力差各不一樣。對(duì)膜施加壓力可以有兩種方式：一是在原料側(cè)施加正壓，迫使被分別的物質(zhì)向常壓側(cè)移動(dòng)，這種方法稱為正壓分別法；另一種方法是在收料側(cè)進(jìn)展減壓，與處于常壓的另一側(cè)形成壓力差，被分別物質(zhì)向負(fù)壓側(cè)移動(dòng)，這種方法稱為負(fù)壓分別法。濃度差驅(qū)動(dòng)力 物質(zhì)的傳遞大多通過(guò)集中而不是對(duì)流實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)濃度不同的液體接觸時(shí)，溶質(zhì)會(huì)從高濃度區(qū)域自發(fā)集中到低濃度區(qū)，其緣由是物質(zhì)的布朗熱運(yùn)動(dòng)，這

22、種驅(qū)動(dòng)R 與濃度梯度dcdx 成正比，如式(8-1)所示R= -Ddc/dx 式中，D 為集中系數(shù)；dc/dx 為濃度梯度；負(fù)號(hào)表濃度差驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)的膜分別過(guò)程，被分別物質(zhì)可以是氣體也可以是液體，如蒸汽滲透、透 析、氣體分別也存在壓力差驅(qū)動(dòng)的方式 程以及混合氣體分別過(guò)程中，推動(dòng)力通常用分壓差或活度差表示。電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力 當(dāng)膜兩側(cè)施加電場(chǎng)，帶電離子或分子將受到電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)，向帶有相反電荷的電極移動(dòng)，并趨向于透過(guò)分別膜，這種驅(qū)動(dòng)力稱為電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力的大小除了裝與電場(chǎng)大小和電極外形有關(guān)外，還與被分別物質(zhì)的荷電狀態(tài)和價(jià)態(tài)有親熱關(guān)系。電滲析和離子膜分別過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力為電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。高分子分別膜的性能表

23、征分別膜是膜分別技術(shù)的關(guān)鍵，在選擇膜產(chǎn)品的時(shí)候一般要依據(jù)膜的物理化學(xué)性能、分別性、透過(guò)性、毒性、價(jià)格等因素加以考慮，其中衡量分別膜是否有價(jià)值的兩個(gè)重要指標(biāo)是透過(guò)性能和分別性能。透過(guò)性能透過(guò)性能標(biāo)志著膜的分別速度，分別膜的透過(guò)性能一般用透過(guò)速率J 表示，是指單位時(shí)內(nèi)透過(guò)單位面積分別膜的物質(zhì)的量。對(duì)于水溶液體系，又稱透水率或水通量，可由式(8-2)得到。J=V/At式中，J 為透過(guò)速率；V 為透過(guò)物的體積或質(zhì)量；A 為膜有效面積；t 為過(guò)濾時(shí)間。對(duì)于氣體分別膜，透過(guò)速率用Rp 表示，可由式(8-3a)得到式中，Rp 為透過(guò)速率；D 為氣體在膜中的集中系數(shù)；s 為氣體在膜中的溶解系數(shù)；d 為膜厚度；

24、P1P2 為膜兩側(cè)的氣體分壓。當(dāng)同種氣體透過(guò)不同氣體分別膜時(shí)，透過(guò)系數(shù)取決于氣體在膜中的集中速率，而同種氣體分別膜對(duì)不同氣體進(jìn)展分別時(shí)，氣體對(duì)膜的溶解系數(shù)打算滲透系數(shù)的大小。而氣體透過(guò)系數(shù)P=DS，所以式子可以改寫(xiě)為對(duì)于液體有相像的公式膜的透過(guò)速率與膜材料的化學(xué)特性和分別膜的形態(tài)構(gòu)造有關(guān)，隨操作推動(dòng)力的增加而增大，其大小打算分別設(shè)備的選擇和設(shè)計(jì)。影響膜透過(guò)性的因素如下。膜材料的組成和構(gòu)造 材料組成中的官能團(tuán)，例如-OH-NH2-COOH-CHO 等基含親水集團(tuán)少的膜，水的透過(guò)性差。材料組成的構(gòu)造如共聚，無(wú)論是嵌段、無(wú)規(guī)還是接枝共聚物，由于聚合物之間相容性的差異，造成相分別，形成不同微相分別的材

25、料，從而影響被分別物質(zhì)在膜中的集中，影響透過(guò)性。被分別物質(zhì)在膜中的溶解性能 假設(shè)溶解性能好，則透過(guò)性好，這是由膜分別的溶解一集中機(jī)理打算的。當(dāng)被分別物質(zhì)與膜、與溶劑相容性好時(shí)，它在膜和溶劑中均能溶解， 不會(huì)殘留在膜內(nèi)。假設(shè)它在溶液中的溶解性差時(shí)，則被分別物質(zhì)會(huì)殘留在膜內(nèi)。中集中較快。由于結(jié)晶高分子間的相互作用強(qiáng)，分子鏈之間的間隙小，氣體集中困難。這可以用高分子的內(nèi)聚能密度來(lái)推斷，例如聚丙烯腈內(nèi)聚能密度大，分子排列致密，氣體透過(guò)系數(shù)很小。被透過(guò)物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì) 體積較大的，或與高分子膜相互作用力大的物質(zhì)，在膜內(nèi)集中較差，透過(guò)性也差。分別性能A/B膜的分別性能打算其對(duì)被分別混合物中各組分的選擇透

26、過(guò)性。膜的分別力量要適度， 由于膜的分別性能和透過(guò)性能彼此影響，要提高分別力量，就必需損失一局部透過(guò)性。膜的分別性能用選擇性分別系數(shù)表示，它指的是在一樣條件下，兩種物質(zhì)的透過(guò)量之比。A/BB例如，單位時(shí)間內(nèi)A 和B 物質(zhì)通過(guò)單位面積的量分別是QA 和QB，選擇透過(guò)性則為Q QAB針對(duì)不同的分別膜，膜的分別性能主要有以下幾種表示方法。截留率(R)截留率在反滲透膜對(duì)鹽水溶液的分別中通常承受脫鹽率來(lái)表示，其有兩種表示方法，即1Ro1C3/C 100%Rr (1C3/C2) 100%1(8-6)式中，Ro 為膜的表觀截留率；R 為膜的實(shí)際截留率；C1 為膜高壓側(cè)水溶液中溶質(zhì)的本濃度；C2 為膜高壓側(cè)界

27、面上水溶液的溶質(zhì)濃度；C3 為膜低壓側(cè)水溶液的溶質(zhì)濃度。100%截留率表示溶質(zhì)全部被膜截留，此為抱負(fù)的半滲透膜；0 截留率則表示全部溶質(zhì)透過(guò)膜，無(wú)分別作用。通常截留率在 0100%之間。截留分子量 截留分子量(molecular weight cut-off)是指能被膜截住的溶質(zhì)中最小溶質(zhì)的分子量。商品化的超濾膜和納濾膜多用截留分子量或相近孔徑的大小來(lái)表示其分別90%以上時(shí)，則可用聚乙二醇的分子量作為該膜的截留分子量；假設(shè)承受蛋白質(zhì)為評(píng)價(jià)液，截留率要求在95%上。其他可用作基準(zhǔn)物的分子量的球形分子有葡萄糖、蔗糖、桿菌肽、胃蛋白酶 等。截流分子量與平均孔徑的關(guān)系如表8-2所示分別系數(shù)()對(duì)于氣體

28、分別膜，其對(duì)混合氣體的分別效果用分別系數(shù)表示，標(biāo)志A膜的分別選擇性能。對(duì)于含有 、 組分的混合氣體，其分別系數(shù)AA/B定義為：A/B式中，為氣體分別膜的分別系數(shù)；PA、. PB、為AB 組分在透過(guò)氣中的分壓；PA、A/BPB 為A、B 組分在原料氣中的分壓。A/B越大，說(shuō)明兩組分的透過(guò)速率相差越大，膜的選擇性越好；A/BA/B1 則說(shuō)明膜沒(méi)有分別力量。mg/g，是電滲析過(guò)程中選擇離子交換膜的關(guān)鍵指標(biāo)之一，多數(shù)膜的交換容量為23mg/g。一般來(lái)說(shuō)交換容量大的膜，其選擇透過(guò)性好，導(dǎo)電力量強(qiáng)。離子交換膜對(duì)離子選擇透過(guò)性的好壞往往用反離子遷移數(shù)和膜的透過(guò)度來(lái)表示。膜內(nèi)離子遷移數(shù)是指某種離子在膜內(nèi)的遷移量與全部離子在膜內(nèi)遷移量的比值。例如，在陰離子膜-NaCl溶液體系中膜內(nèi)反離子遷移數(shù)為：QQNa+CI-式中，、分別為、所負(fù)載的電量； QQNa+CI-Na+cl-CI-某種離子在膜中的遷移數(shù)也可以用膜電位來(lái)表示。被膜隔開(kāi)的兩電解質(zhì)溶液，其電位不一樣，其電位差稱為膜電位，可以用圖8-10表示。式中，Am 為實(shí)際測(cè)定的膜電位；E0m 為在測(cè)定Em 的條件下抱負(fù)膜的膜電位，可由能斯特公式計(jì)算得到。Pi i 離子在膜中遷移數(shù)的增加值與該離子在抱負(fù)膜中的遷移數(shù)的增加值之比，即