膜表征方法簡(jiǎn)介

關(guān)于膜表征方法簡(jiǎn)介第1頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

膜表面和斷面結(jié)構(gòu)：電子顯微鏡，原子力顯微鏡孔徑和孔徑分布：泡壓法，濾速法，壓汞法，干濕膜空氣濾速法，電子顯微鏡觀測(cè)法截留率：溶質(zhì)截留率測(cè)定法（用于UF）孔隙率：干、濕膜質(zhì)量差法脫鹽率、水通量、膜的壓密性（用于RO）膜的親水性和疏水性：測(cè)定接觸角法膜的荷電性：交換容量C，膜電阻Rm，膜電位Em膜結(jié)構(gòu)與性能的表征方法第2頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子顯微鏡法電子顯微鏡是用于膜表征的一種設(shè)備，可以分成兩種：掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）。對(duì)于研究和表征微濾膜的多孔結(jié)構(gòu)，可以對(duì)膜的表面和橫斷面進(jìn)行觀察。簡(jiǎn)單電子顯微鏡的分辨率為0.01μm(10nm)，更高級(jí)電子顯微鏡的分辨率可達(dá)5nm左右（微濾膜的孔徑為0.1~10μm）。掃描電子顯微鏡是用于表征微濾膜的簡(jiǎn)單而有效的儀器。對(duì)表層、橫斷面和底層可得到清晰又簡(jiǎn)潔的圖象。第3頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原理：一束動(dòng)能為1-25V的入射電子（又稱為一次電子）撞擊在膜試樣上，從試樣表面原子中撞擊出二次電子，這些二次電子在檢測(cè)器的屏幕上形成一定的圖象。為避免試樣被燒壞，可在表面上覆蓋一層導(dǎo)電層防止表面帶電，通常用金制薄層，即噴金。

掃描電子顯微鏡原理示意圖第4頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SEM法觀察到的聚醚酰胺膜的表層（放大倍數(shù)3000）不對(duì)稱聚砜超濾膜橫截面第5頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原子力顯微鏡-AFM原子力顯微鏡（AFM）是一種檢測(cè)表面結(jié)構(gòu)的方法，根據(jù)AFM圖象的橫截面可以得到孔徑及孔隙率，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是試樣無(wú)需預(yù)處理，且可在大氣條件下進(jìn)行測(cè)量，其缺點(diǎn)在于，如表面粗糙會(huì)使檢測(cè)結(jié)果很難分析。此外，作用力較大時(shí)有可能損壞聚合物的結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡是用來(lái)表征膜表面的一種新方法。直徑小于10nm的非常尖的探針以恒定的力掃過(guò)被測(cè)表面時(shí)，樣品表面和微型力敏感元件之間極微弱的原子會(huì)發(fā)生相互作用力，通過(guò)檢測(cè)這些力就可得到樣品表面的掃描結(jié)果。運(yùn)用微懸臂，可以實(shí)現(xiàn)在很小相互作用力下的檢測(cè)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。第6頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月泡壓法泡壓法是測(cè)定微孔濾膜最大孔徑和平均孔徑法方法。這種方法的原理是測(cè)定氣體通過(guò)充滿液體的膜所需要的壓力。膜的上面與液體（如水）接觸，并且所有膜孔內(nèi)都充滿液體，使膜潤(rùn)濕，過(guò)濾器底部與空氣相連，當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫χ饾u增大到一定量時(shí)，氣泡會(huì)通過(guò)膜。當(dāng)膜面出現(xiàn)第一個(gè)氣泡時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力，就是膜最大孔徑的壓力，膜上氣泡出現(xiàn)最多是所對(duì)應(yīng)的壓力為膜的最小孔徑壓力。壓力與孔半徑之間的關(guān)系由Laplace方程確定。泡壓法原理r為毛細(xì)管孔半徑，m；γ為液體/空氣界面的表面張力（N/m）第7頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濾速法假設(shè)存在毛細(xì)管孔利用Hagen-Poiseuille方程通過(guò)測(cè)量在一定壓力下通過(guò)膜的通量可得到孔徑。通過(guò)改變壓力即將泡點(diǎn)法和滲透法相結(jié)合，可以測(cè)定孔徑分布。Q:透過(guò)膜的液體流量；n:孔密度；r:孔半徑；S:有效膜面積；△p:應(yīng)用壓力；t:液體透過(guò)膜量所用的時(shí)間；η:滲透液粘度；d:毛細(xì)孔長(zhǎng)度，即膜的厚度第8頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通過(guò)上式計(jì)算出膜的水滲透率即膜的水通量。帶入膜的孔隙率膜的孔半徑：濾速法的裝置和泡壓法相反，將膜置于測(cè)試池中，逐漸升壓使液體（一般是水）通過(guò)被測(cè)的膜，在排出所有氣泡后，使壓力升至一定值，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收集透過(guò)膜的液體量。濾速法是在膜上面加壓，而泡壓法是在膜下面加壓。只要測(cè)量膜的厚度，就可以通過(guò)透過(guò)膜的液體量和孔隙率，根據(jù)上式計(jì)算出膜的孔半徑。第9頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月壓汞法壓汞法是把汞注入干膜中，并在不同壓力下測(cè)定汞的體積。壓力和孔徑的關(guān)系仍滿足Laplace方程。由于汞不同潤(rùn)濕膜（接觸角大于90度），汞與聚合物材料的接觸角一般為141.3度，汞/空氣界面的表面張力為0.48N/m，因此Laplace變?yōu)椋涸谝欢▔毫ο鹿瘽B入膜微孔中，汞位的變化反應(yīng)了樣品膜中汞體積的變化，它通過(guò)鉑電極電阻的變化來(lái)表示，由各壓力下汞進(jìn)入膜樣品的累積體積，可得孔徑-孔百分比的累積曲線，微分后得到孔徑分布曲線壓汞法膜孔徑積分和微分曲線第10頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月干濕膜空氣濾速法當(dāng)空氣通過(guò)干膜時(shí)，滲透流率隨壓力增加呈線性關(guān)系；而通過(guò)濕膜時(shí)，在泡點(diǎn)壓力處僅最大孔徑有氣體通過(guò)；當(dāng)壓力再逐漸增加時(shí)，才能使越來(lái)越多的孔打開通道讓氣體從中通過(guò)。流速-壓力關(guān)系如圖所示，平均孔徑所對(duì)應(yīng)的壓力是指通過(guò)濕膜的滲透流率僅為干膜的一半時(shí)所用的壓力。將濕膜的曲線微分就可得到孔徑分布曲線。氣體流速-氣體壓力關(guān)系圖第11頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溶質(zhì)截留率測(cè)定法超濾膜的分離效率通常用截留率來(lái)表示，是指對(duì)一定相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)截留的程度，其公式如下：其中，R為膜的截留率；cf為進(jìn)液濃度即原液濃度，cp為透過(guò)膜液的濃度即產(chǎn)液的濃度。通常把能截留90%某種物質(zhì)的相對(duì)分子量作為該膜的截留范圍，稱為截留相對(duì)分子量。超濾膜的孔徑范圍從0.001-0.02μm，截留相對(duì)分子質(zhì)量一般從1000到100000左右。第12頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月脫鹽率實(shí)際應(yīng)用中反滲透中用以表示膜的分離性能的最常的指標(biāo)是脫鹽率，表明膜能脫除水溶液中鹽的百分?jǐn)?shù)，一般用R（Rejection）表示。有兩種表示方法R0=（1-C3/C1）×100%Rr=（1-C3/C2）×100%Rr-膜的真實(shí)脫鹽率R0-膜的表觀脫鹽率C1-膜高壓側(cè)水溶液中溶質(zhì)的本體濃度，g/cm3由于在反滲透過(guò)程中存在著濃差極化現(xiàn)象，所以-C2>C1,R0>Rr。在實(shí)驗(yàn)中一般難以測(cè)得膜高壓側(cè)界面上的濃度，所以實(shí)際應(yīng)用中都以R0計(jì)算。第13頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水通量反滲透膜的水通量也稱透水速率或水滲透流率。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的水體積流量，它表示反滲透膜的透量大小，表達(dá)式為：Fw=A(Δp-Δπ)A-膜的純水滲透系數(shù)，表示膜中水的滲透能力，cm3/(cm2s.MPa)Δp-膜兩側(cè)的壓力差，MPaΔπ-膜兩側(cè)的滲透壓差，MPa特別地，超濾膜的水通量，其表示方法與反滲透膜納濾膜相同，鑒于濃差極化對(duì)膜的透水速率影響極大，故超濾膜的水通量常用純水透過(guò)速率來(lái)表示膜水通量的大小。第14頁(yè)，課件共16頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月膜的壓密性反滲透一般在較高壓力下運(yùn)行，高分子膜長(zhǎng)期處在壓力下，膜結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生被壓密的現(xiàn)象，壓密現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致膜的水通量變小。可用流量衰減系數(shù)（壓密斜率）表示：Ft=Fi×tm其中Fi和F