功能高分子材料第三章 高分子分離膜

3.1概述一、膜分離技術發(fā)展簡史1748年，耐克特發(fā)現(xiàn)水能自動地擴散到裝有酒精的豬膀胱內，開創(chuàng)了膜滲透的研究。1861年，施密特首先提出了超過濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾時，若在溶液側施加壓力，使膜的兩側產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細菌、蛋白質、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。（現(xiàn)代觀點稱為微孔過濾）現(xiàn)在是1頁\一共有92頁\編輯于星期五1

然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀60年代。1961年，米切利斯等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質混合物以水-丙酮-溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過濾膜。美國Amicon公司首先將這種膜商品化。50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化?，F(xiàn)在是2頁\一共有92頁\編輯于星期五2

自上世紀60年代中期以來，膜分離技術真正實現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（簡稱UF膜）、微孔過濾膜（簡稱MF膜）和反滲透膜（簡稱RO膜）。在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進—步提高。具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初研究反滲透時發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜?，F(xiàn)在是3頁\一共有92頁\編輯于星期五3二、膜分離的特點

膜分離過程是一個高效、環(huán)保的分離過程，它是多學科交叉的高新技術，它在物理、化學和生物性質上可呈現(xiàn)出各種各樣的特性，具有較多的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的分離技術如蒸餾、離心、重結晶、萃取分離等相比，膜分離技術具有以下特點：

1、高效的分離過程

它可以做到將相對分子量為幾千甚至幾百的物質進行分離（相應的顆粒大小為納米級）?，F(xiàn)在是4頁\一共有92頁\編輯于星期五42、低能耗

因為大多數(shù)膜分離過程都不發(fā)生相的變化，相變化的潛熱是很大的。傳統(tǒng)的冷凍、萃取和蒸餾等分離過程是發(fā)生相的變化，通常能耗比較高。3、接近室溫的工作溫度

多數(shù)膜分離過程的工作溫度在室溫附近，因而膜本身對熱過敏物質的處理就具有獨特的優(yōu)勢。目前，尤其是在食品加工、醫(yī)藥工業(yè)、生物技術等領域有其獨特的推廣應用價值。

現(xiàn)在是5頁\一共有92頁\編輯于星期五5

4、品質穩(wěn)定性好

膜設備本身沒有運動的部件，工作溫度又在室溫附近，所以很少需要維護，可靠度很高。它的操作十分簡便，而且從設備開啟到得到產(chǎn)品的時間很短，相比傳統(tǒng)工藝可顯著縮短生產(chǎn)周期。

5、連續(xù)化操作

膜分離過程可實現(xiàn)連續(xù)化操作過程，滿足工業(yè)化生產(chǎn)的實際需要。

現(xiàn)在是6頁\一共有92頁\編輯于星期五66、靈活性強

膜分離裝置可以直接插入已有的生產(chǎn)工藝中，易與其它分離過程結合，方便進行原有工藝改建和上下工藝整和。7、純物理過程

膜分離是純物理過程，不會發(fā)生任何的化學變化，更不需要外加任何物質，如助濾劑、化學試劑等。8、環(huán)保

膜分離設備制作材質清潔、環(huán)保，工作現(xiàn)場清潔衛(wèi)生，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。

現(xiàn)在是7頁\一共有92頁\編輯于星期五7

三、高分子分離膜定義及分類

1、定義

在一個流體相內或兩個流體相之間有一薄層凝聚相物質能把流體相分隔開來成為兩部分，這一凝聚相物質稱為分離膜。膜的形式可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。被膜分割的流體物質可以是液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的。膜至少具有兩個界面，膜通過這兩個界面與被分割的兩側流體接觸并進行傳遞。分離膜對流體可以是完全透過性的，也可以是半透過性的，但不能是完全不透過性的。

現(xiàn)在是8頁\一共有92頁\編輯于星期五8

膜分離技術是利用膜對混合物中各組分的選擇滲透性能的差異來實現(xiàn)分離、提純和濃縮的新型分離技術。分離的類型包括同種物質按不同大小尺寸的分離；異種物質的分離；不同物質狀態(tài)的分離等。在化工單元操作中，常見的分離方法有篩分、過濾、蒸餾、蒸發(fā)、重結晶、萃取、離心分離等。然而，對于高層次的分離，如分子尺寸的分離、生物體組分的分離等，采用常規(guī)的分離方法是難以實現(xiàn)的，或達不到精度，或需要損耗極大的能源而無實用價值。現(xiàn)在是9頁\一共有92頁\編輯于星期五9

具有選擇分離功能的高分子材料的出現(xiàn)，使上述的分離問題迎刃而解。膜分離過程的主要特點是以具有選擇透過性的膜作為分離的手段，實現(xiàn)物質分子尺寸的分離和混合物組分的分離。實踐證明，當不能經(jīng)濟地用常規(guī)的分離方法得到較好的分離時，膜分離作為一種分離技術往往是非常有用的。并且膜技術還可以和常規(guī)的分離方法結合起來使用，使技術投資更為經(jīng)濟。

現(xiàn)在是10頁\一共有92頁\編輯于星期五10

近二三十年來，膜科學和膜技術發(fā)展極為迅速，目前已成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技和人民日常生活中不可缺少的分離方法，越來越廣泛地應用于化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、電子、電力、冶金、輕紡、海水淡化等領域。膜分離過程的推動力有濃度差、壓力差和電位差等?，F(xiàn)在是11頁\一共有92頁\編輯于星期五112、分類（1）按膜的材料分類

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，聚電解質等現(xiàn)在是12頁\一共有92頁\編輯于星期五12（2）按結構分類對稱膜致密膜（均質膜）不對稱膜多孔膜（3）按膜的分離原理和推動力的不同分類微孔過濾膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。（4）按宏觀形態(tài)分類平板膜、管狀膜、中空纖維膜等?，F(xiàn)在是13頁\一共有92頁\編輯于星期五13均質膜：沒有宏觀的孔洞，某些氣體和液體的透過是通過分子在膜中的溶解和擴散運動實現(xiàn)的；多孔膜：有固定的孔洞，依據(jù)不同的孔徑對物質進行截留來實現(xiàn)分離過程的。對稱膜：厚度在10-200um之間，傳質阻力由膜的總厚度決定；不對稱膜：厚度在的致密皮層和50-150um厚的多孔亞層構成，傳質阻力主要或完全由很薄的皮層決定?，F(xiàn)在是14頁\一共有92頁\編輯于星期五14PVDF膜的SEM圖現(xiàn)在是15頁\一共有92頁\編輯于星期五15加入ZnO納米粒子的PVDF膜的SEM圖現(xiàn)在是16頁\一共有92頁\編輯于星期五16加入ZnO納米粒子的PVDF膜的SEM圖現(xiàn)在是17頁\一共有92頁\編輯于星期五17（2）按結構分類對稱膜致密膜（均質膜）不對稱膜多孔膜（3）按膜的分離原理和推動力的不同分類微孔過濾膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。（4）按宏觀形態(tài)分類平板膜、管狀膜、中空纖維膜等。現(xiàn)在是18頁\一共有92頁\編輯于星期五18

（5）按功能分類

日本著名高分子學者清水剛夫將膜按功能分為分離功能膜（包括氣體分離膜、液體分離膜、離子交換膜、化學功能膜）、能量轉化功能膜（包括濃差能量轉化膜、光能轉化膜、機械能轉化膜、電能轉化膜，導電膜）、生物功能膜（包括探感膜、生物反應器、醫(yī)用膜）等?，F(xiàn)在是19頁\一共有92頁\編輯于星期五19

四、膜分離過程及膜組件膜分離過程可以是主動的如滲透，也可以是被動的，此時的推動力可以是壓力差、濃度差、電位差等。從膜的化學性質來看可以是中性的，也可以使帶電的。在這些過程中，膜并不直接用于分離中，而需要將一定面積的膜裝填到某種開放式或封閉的殼體空間內構造成一定形式的結構單元，即膜組件。

現(xiàn)在是20頁\一共有92頁\編輯于星期五20中空纖維膜組件現(xiàn)在是21頁\一共有92頁\編輯于星期五21現(xiàn)在是22頁\一共有92頁\編輯于星期五22第一道：前置雜質過濾系統(tǒng)經(jīng)過5μm的前置PP系統(tǒng)，過濾毛發(fā)、泥沙、鐵銹、膠體物及顆粒較大的物質；第二道：顆?；钚蕴肯到y(tǒng)吸附并去掉自來水中的氯，水溶性重金屬及其他無機物質，降低鈣、鎂、離子水體硬度，延長并提高RO逆滲透系統(tǒng)濾材壽命；第三道：高密度燒結活性炭系統(tǒng)消除余氯、懸浮物、鐵銹、農(nóng)藥等有機物質，保護RO膜，使之能夠更好的發(fā)揮作用；第四道：RO逆滲透系統(tǒng)美國高科技的RO逆滲透膜，去除重金屬離子雜質，有效去除過濾性病毒及細菌等有害物質：第五道：后置活性炭系統(tǒng)高密度活性炭（T33）提高和增加活凈水口感，使水質更加甘甜可口，補充人體所需微量元素和礦物質。

現(xiàn)在是23頁\一共有92頁\編輯于星期五23開發(fā)膜組件的幾個基本要求：適當均勻的流動，無靜水區(qū)；具有良好的機械穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；裝填密度大；制造成本低；易于清洗；更換膜的成本低；壓力損失小?，F(xiàn)在是24頁\一共有92頁\編輯于星期五24

3.2高分子分離膜的分離原理最重要的兩個指標：

透過性：測定物質在單位時間內透過單位面積分離膜的絕對值；

選擇性：在同等條件下測定物質透過量與參考物質透過量之比。現(xiàn)在是25頁\一共有92頁\編輯于星期五25

各種物質與膜的相互作用不一致，其分離作用主要依靠過篩作用和溶解擴散作用。

過篩作用：類似于物理過篩過程，被分離物質能否通過篩網(wǎng)取決于物理粒徑尺寸和網(wǎng)孔的大小。

溶液擴散作用：當膜材料對某些物質具有一定溶解能力時，在外力作用下被溶解物質能夠在膜中擴散運動，從膜的一側擴散到另一側，再離開分離膜。現(xiàn)在是26頁\一共有92頁\編輯于星期五26表3-2幾種主要分離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0.1-10μm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2-100nm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0.5-5nm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高分子分離膜的分離原理

主要是篩分原理，以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶質分子，也可以用于氣體的分離?，F(xiàn)在是27頁\一共有92頁\編輯于星期五27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濃度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)濃度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)上表現(xiàn)在是28頁\一共有92頁\編輯于星期五283.3高分子分離膜材料

用作分離膜的材料包括天然的和人工合成的有機高分子材料和無機材料。原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機材料均可用于制備分離膜。但實際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術?，F(xiàn)在是29頁\一共有92頁\編輯于星期五29

目前，實用的有機高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實驗室中?，F(xiàn)在是30頁\一共有92頁\編輯于星期五30

一、纖維素衍生物類纖維素是由幾千個椅式構型的葡萄糖基通過1,4-β連接起來的天然線性高分子化合物，其結構式為：從結構上看，每個葡萄糖單元上有三個羥基?，F(xiàn)在是31頁\一共有92頁\編輯于星期五31

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，得到二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+2CH2COOH現(xiàn)在是32頁\一共有92頁\編輯于星期五32

醋酸纖維素是當今最重要的膜材料之一，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、再生纖維素也是很好的膜材料。纖維素酯類材料易受微生物侵蝕，pH值適應范圍較窄，不耐高溫和某些有機溶劑或無機溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。現(xiàn)在是33頁\一共有92頁\編輯于星期五33

二、聚砜類

聚砜結構中的特征基團為聚砜類樹脂常用的制膜溶劑有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜等。聚砜類樹脂具有良好的化學、熱學和水解穩(wěn)定性，強度也很高，pH值適應范圍為1～13，最高使用溫度達120℃，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。現(xiàn)在是34頁\一共有92頁\編輯于星期五34這類樹脂中，目前的代表品種有：現(xiàn)在是35頁\一共有92頁\編輯于星期五35三、聚酰胺類及聚酰亞胺類早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍-4、尼龍-66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分離率在80％～90％之間，但透水率很低，僅0.076ml/cm2·h。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，pH適用范圍為3～11，分離率可達99.5％（對鹽水），透水速率為0.6ml/cm2·h。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團易與氯反應，故這種膜對水中的游離氯有較高要求?，F(xiàn)在是36頁\一共有92頁\編輯于星期五36

DuPont公司生產(chǎn)的DP-I型膜即為由此類膜材料制成的，它的合成路線如下式所示：現(xiàn)在是37頁\一共有92頁\編輯于星期五37

類似結構的芳香族聚酰胺膜材料還有：現(xiàn)在是38頁\一共有92頁\編輯于星期五38

聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結構的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。聚酰亞胺溶解性差，制膜困難，因此開發(fā)了可溶性聚酰亞胺，其結構為：現(xiàn)在是39頁\一共有92頁\編輯于星期五39

四、聚酯類

聚酯類樹脂強度高，尺寸穩(wěn)定性好，耐熱、耐溶劑和耐化學品的性能優(yōu)良。

聚碳酸酯聚四溴碳酸酯聚酯無紡布現(xiàn)在是40頁\一共有92頁\編輯于星期五40

五、聚烯烴類

低密度聚乙烯和聚丙烯薄膜通過拉伸可以制造微孔濾膜。

高密度聚乙烯通過加熱燒結可以制成微孔濾板或濾芯，也可以作為分離膜的支撐材料。聚4-甲基1-戊烯已作為氧、氮分離的新一代膜材料?，F(xiàn)在是41頁\一共有92頁\編輯于星期五41六、乙烯基類高聚物用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料?，F(xiàn)在是42頁\一共有92頁\編輯于星期五42七、有機硅聚合物八、含氟聚合物九、甲殼素類十、高分子合金膜十一、液晶復合高分子膜現(xiàn)在是43頁\一共有92頁\編輯于星期五433.4高分子分離膜的制備方法制備方法最實用膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。只制備多孔膜燒結法拉伸法徑跡蝕刻法相轉化法復合膜化法現(xiàn)在是44頁\一共有92頁\編輯于星期五44

方法簡單

只能制備微濾膜

孔隙率低，10%-20%將聚合物的微粒通過燒結形成多孔膜。聚合物的微粒外表面軟化固化粘結≤熔融溫度冷卻1、燒結法超高分子量PE、高密度PE、PP現(xiàn)在是45頁\一共有92頁\編輯于星期五45

由部分結晶的聚合物膜經(jīng)拉伸后在膜內形成微孔。部分結晶聚合物拉伸非晶區(qū)斷裂成孔晶區(qū)為骨架

孔隙率遠高于燒結法生產(chǎn)效率高制備方法容易價格低孔徑大小容易控制，分布均勻關鍵技術：半晶態(tài)聚合物的合成2、拉伸法現(xiàn)在是46頁\一共有92頁\編輯于星期五46浸蝕液徑跡高能粒子高分子膜高活性鏈端徑跡處高分子鏈斷裂徑跡擴大微孔膜

膜孔貫穿呈圓柱狀孔徑分布可控，分布極窄孔隙率低3、徑跡蝕刻法現(xiàn)在是47頁\一共有92頁\編輯于星期五47聚合物溶劑添加劑均質制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗后處理膜特點：可制備多孔膜，也可制備致密膜大多數(shù)的工業(yè)用膜采用相轉化法制備關鍵技術均一溶液的制備控制相轉化的過程以控制膜的形態(tài)4、相轉化法現(xiàn)在是48頁\一共有92頁\編輯于星期五48先制備多孔支撐膜，

制備致密膜，兩種膜用機械法復合；將第二種聚合物溶液滴加在多孔膜表面；將制備第二種聚合物的單體溶液沉積在多孔膜表面，等離子體引發(fā)聚合；在多孔膜表面沉積一層縮聚單體，與另一雙官能團單體縮聚。5、復合膜化法現(xiàn)在是49頁\一共有92頁\編輯于星期五496.高分子分離膜制備的新方法1、高濕度誘導相分離制備微孔膜2、超臨界二氧化碳制備聚合物微孔膜3、自組裝制備分離膜現(xiàn)在是50頁\一共有92頁\編輯于星期五503.5典型的膜過程及應用分離膜的主要用途：利用膜對不同物質的透過性不同對混合物分離。半透性評價標準對被分離物質的透過性（透過率）對不同物質的選擇性透過（選擇性）現(xiàn)在是51頁\一共有92頁\編輯于星期五51膜阻力驅動力壓力差濃度差（梯度）電位差（電場驅動）矛盾膜上游

透膜

膜下游膜阻力驅動力現(xiàn)在是52頁\一共有92頁\編輯于星期五52阻礙性透過性選擇性膜的結構、性質、孔徑被分離物質的性質、結構、體積不同物質在同一張膜上透過性差異現(xiàn)在是53頁\一共有92頁\編輯于星期五53驅動力濃度差

電位差氣體分離滲透蒸發(fā)透析電滲析膜電解

壓力差微濾超濾納濾反滲透現(xiàn)在是54頁\一共有92頁\編輯于星期五54一、壓力差驅動

微濾、超濾、納濾和反滲透分離類似于過濾，用以分離含溶解的溶質或懸浮微粒的液體。

1)

微濾(MF)2)超濾(UF)3)納濾(NF)4）反滲透(RO)現(xiàn)在是55頁\一共有92頁\編輯于星期五551、微濾

微濾：當壓力推動流體透過膜或其他過濾介質，從流體中分離微米大小的粒子時，這個過程為微濾。原理：在壓力差的作用下，利用膜的孔徑的大小對微粒進行機械篩分和截留?？讖剑?.025~10m；推動力為0.01~0.2MPa微孔膜：均勻多孔薄膜，厚度90~150m現(xiàn)在是56頁\一共有92頁\編輯于星期五56微孔膜的優(yōu)點：孔徑均勻，過濾精度高；孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％-80％。膜很薄，阻力小，過濾速度較常規(guī)過濾介質快幾十倍；無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90-150μm之間，因而吸附量很少；無介質脫落、均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，能得到高純度濾液。微孔膜的缺點：

顆粒容量較小，易被堵塞?，F(xiàn)在是57頁\一共有92頁\編輯于星期五57微濾的應用

（1）

微粒和細菌的過濾

可用于水的高度凈化、食品和飲料的除菌、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。

（2）微粒和細菌的檢測

微孔膜可作為微粒和細菌的富集器，從而進行微粒和細菌含量的測定。

(3)氣體、溶液和水的凈化

大氣中懸浮的塵埃、纖維、花粉、細菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。現(xiàn)在是58頁\一共有92頁\編輯于星期五58

(4)食糖與酒類的精制

對食糖溶液和酒類進行過濾，可除去食糖中的雜質、酒類中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類的清澈度，延長存放期。(5)藥物的除菌和除微粒

熱壓法滅菌時，細菌的尸體仍留在藥品中。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。微孔膜有突出的優(yōu)點，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。

(6)

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?，F(xiàn)在是59頁\一共有92頁\編輯于星期五592、超濾

超濾：按分子大小而去除的壓力推動膜過程。原理：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；孔徑：2~50nm；截留物質：能夠截留分子量500~500,000的物質。糖、生物分子、高分子聚合物、膠體物質；操作壓力：0.1~0.5MPa；膜材料：聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素?，F(xiàn)在是60頁\一共有92頁\編輯于星期五60

超濾膜：不對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。性能主要取決于表面活性層和過渡層。超濾膜表面活性層：致密光滑，厚度0.1-1.5μm，細孔孔徑小于10nm過渡層：細孔大于10nm，厚度1-10μm支撐層：厚度50-250μm，孔徑大于10nm。起支撐作用，提高機械強度現(xiàn)在是61頁\一共有92頁\編輯于星期五61超濾膜技術應用超濾技術主要用于含分子量500-500,000的微粒溶液的分離，是目前應用最廣的膜分離過程之一，應用領域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化。(1)純水的制備

超濾技術廣泛用于水中的細菌、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)用無菌水等。(2)食品工業(yè)

在牛奶加工廠中用超濾技術可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖?，F(xiàn)在是62頁\一共有92頁\編輯于星期五62(3)汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理

汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有1％-2％的涂料（高分子物質），用超濾裝置可分離出清水重復用于清洗，同時又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。(4)

果汁、酒等飲料的消毒與澄清應用超濾技術可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質，使果汁和酒在凈化處理的同時保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。(5)

在醫(yī)藥和生化工業(yè)中

處理熱敏性物質，分離濃縮生物活性物質，從生物中提取藥物等?，F(xiàn)在是63頁\一共有92頁\編輯于星期五633、反滲透以壓力差為推動力，功能是截留離子物質而僅透過溶劑?，F(xiàn)在是64頁\一共有92頁\編輯于星期五64無機鹽溶液的滲透壓很高，含1g/l氯化鈉的天然水，滲透壓為0.07MPa，含35g/l氯化鈉的海水，滲透壓為2.5MPa。反滲透將料液分成兩部分：透過膜的是含溶質很少的溶劑，稱為滲透液；未透過膜的液體，溶質濃度增高，稱為濃縮液。分離物質的分子量：一般小于500，操作壓力為2-100MPa?，F(xiàn)在是65頁\一共有92頁\編輯于星期五65反滲透膜：

高操作壓力：2-100MPa；要求膜必須有高透水率，高脫鹽率；耐一定的酸堿、耐微生物、耐壓；大部分為不對稱膜，孔徑小于0.5nm，可截留溶質分子。形狀：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纖維膜主要膜材料：醋酸纖維素、芳香聚酰胺、聚砜現(xiàn)在是66頁\一共有92頁\編輯于星期五66

反滲透過程已成功使用30多年，據(jù)統(tǒng)計，在全世界所有淡化過程生產(chǎn)1.15×107m3/d的飲用水中，反滲透占23.4%。優(yōu)點：能耗和投資運行費用低，占地小，設備腐蝕輕，易建造、操作、維修，建廠時間短。海水淡化在沙特至少有6套，產(chǎn)水2300-57000m3/d，苦咸水淡化13套，3500-53000m3/d。反滲透技術的應用（1）海水、苦咸水的淡化現(xiàn)在是67頁\一共有92頁\編輯于星期五67（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(chǎn)品的風味和營養(yǎng)不受影響。（3）印染、食品、造紙等工業(yè)中

用于處理污水，回收利用廢液中有用的物質等?，F(xiàn)在是68頁\一共有92頁\編輯于星期五68MF：溶液中直徑0.1-10μm的粒子RO：Mw<500的小分子物質UF：Mw>500的大分子或極細的膠體粒子分界不嚴格，互相重疊。新型的NF正好介于UF和RO之間，截流分子量大概在300-1000。反滲透與微濾、超濾的區(qū)別現(xiàn)在是69頁\一共有92頁\編輯于星期五694、納濾近年來，微濾、超濾、反滲透之間出現(xiàn)相互重疊的傾向，反滲透和超濾之間出現(xiàn)交叉，這就是納濾。

納濾恰好填補了超濾與反滲透之間的空白，它能截留透過超濾膜的那部分小分子量的有機物，透析被反滲透膜所截留的無機鹽?，F(xiàn)在是70頁\一共有92頁\編輯于星期五70納濾膜是八十年代在反滲透復合膜基礎上開發(fā)出來的，是超低壓反滲透技術的延續(xù)和發(fā)展分支，早期被稱作低壓反滲透膜或松散反滲透膜。目前，納濾膜已從反滲透技術中分離出來，成為獨立的分離技術。納濾膜主要用于截留粒徑在0.1～1nm，分子量為1000左右的物質，可以使一價鹽（如NaCl）和小分子物質透過，具有較小的操作壓（0.5～1MPa）?，F(xiàn)在是71頁\一共有92頁\編輯于星期五71納濾技術的應用

(1)納濾技術最早也是應用于海水及苦咸水的淡化方面。由于該技術對低價離子與高價離子的分離特性良好，因此在硬度高和有機物含量高、濁度低的原水處理及高純水制備中頗受矚目；

(2)在食品行業(yè)中，納濾膜可用于果汁生產(chǎn)，大大節(jié)省能源；

(3)在醫(yī)藥行業(yè)可用于氨基酸生產(chǎn)、抗生素回收等方面；

(4)在石化生產(chǎn)的催化劑分離回收等方面更有著不可比擬的作用?，F(xiàn)在是72頁\一共有92頁\編輯于星期五72微濾超濾納濾反滲透細菌、病毒等蛋白質、酶、多肽等抗生素、合成藥、染料、二糖等無機鹽類（NaCl、KCl）水現(xiàn)在是73頁\一共有92頁\編輯于星期五73二、濃度差驅動氣體分離膜滲透蒸發(fā)膜透析分子主動從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)轉移的自發(fā)趨勢。現(xiàn)在是74頁\一共有92頁\編輯于星期五741、氣體分離膜分離機理致密膜：沒有宏觀的孔洞，溶解-擴散作用多孔膜：有固定孔洞，孔徑，篩分膜材料H2的分離：醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺等。O2的分離富集：聚二甲基硅氧烷及其改性產(chǎn)品和含三甲硅烷基的高分子。CO2分離：富氧膜可作為CO2分離膜，在膜材料中引入親CO2的基團，如醚鍵、苯環(huán)等，可大大提高CO2的透過性。SO2的分離：在膜材料中引入親SO2的亞砜基團大大提高SO2分離膜的分離性能。現(xiàn)在是75頁\一共有92頁\編輯于星期五75氣體分離膜的應用（1）特殊氣體的富集：富氧空氣主要用于醫(yī)用和工業(yè)燃燒；（2）CO2、SO2、H2O的回收和脫除。

a、天然氣的凈化：

天然氣：開采石油的伴生氣，主要成分為甲烷，含少量乙烷、丁烷、戊烷、CO2、CO、H2S。

危害：造成管路及設備腐蝕；降低天然氣熱值，浪費管輸能力；對于液化天然氣還可能引起凍結。

管輸標準：CO2<3%；H2S<20mg/m3?，F(xiàn)在是76頁\一共有92頁\編輯于星期五76b、三次采油注CO2伴生氣回收采油過程中，將二氧化碳以大于1000大氣壓的壓力注入油井驅油以提高采收率，利用超臨界萃取的原理、提高三次采油率。伴生氣中的二氧化碳分離濃縮后，再循環(huán)注入油井中，此法已得到了廣泛應用。

體系為CO2/CH4分離，提濃為目的?，F(xiàn)在是77頁\一共有92頁\編輯于星期五77c、生物氣脫除CO2來源：城市垃圾處理場。一個中等規(guī)模的垃圾場，沼氣的生產(chǎn)能力為3200m3/h。預測至2010年僅蘇浙滬地區(qū)城市垃圾的甲烷產(chǎn)量達260多萬噸，相當于300萬噸煤炭的能源潛力，直接經(jīng)濟價值達4.2億元，同時環(huán)保效益很大。一般含CH4：50-70%。以深圳鹽田垃圾場為例：

CO230-40%

CH445-55%其它（略）以脫除CO2，提高熱值為目的，CO2/CH4分離?，F(xiàn)在是78頁\一共有92頁\編輯于星期五78d、煙道氣凈化煙道氣中大量的二氧化碳排放是造成大氣溫室效應的主要原因，富集和利用這些二氧化碳是保護環(huán)境、節(jié)省資源的一個重要課題。來源：電廠等燃燒。煙道氣的主要成分：CO2

10-15%N270-85%O23-8%其它（略）現(xiàn)在是79頁\一共有92頁\編輯于星期五792、滲透蒸發(fā)膜

分離液體混合物

原理：溶解擴散步驟：原料側膜的選擇性吸附；通過膜的選擇性擴散；在另一側脫附到蒸汽相。驅動力：膜內滲透組份的濃度梯度?？捎糜趥鹘y(tǒng)分離手段較難處理的恒沸物及近沸點物系的分離。優(yōu)點：一次分離度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點?，F(xiàn)在是80頁\一共有92頁\編輯于星期五80滲透蒸發(fā)分離示意圖(真空氣化)液相室氣相室膜真空泵冷凝液冷凝器現(xiàn)在是81頁\一共有92頁\編輯于星期五81膜材料

只有對需要分離的某組分有親和性的高分子物質才能作為膜材料。以透水為目的的滲透蒸發(fā)膜，應該有良好的親水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纖維素（CA）都是較好的膜材料；當以透過醇類物質為目的時，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）則是較理想的膜材料。最成功的例子：無水乙醇的生產(chǎn)，工業(yè)化?，F(xiàn)在是82頁\一共有92頁\編輯于星期五823、透析透析是溶質在其自身濃度梯度下從膜的一側（原料側）傳向另一側（透析物側或滲透物側）的過程。由于分子大小以及溶解度不同，使得擴散速率不同，從而實現(xiàn)分離。透析過程中的傳