膜的特性及傳遞模型

關于膜的特性及傳遞模型膜分離特點

※膜的種類、孔徑可以根據(jù)需要選擇

※不管流有多強，膜對于阻止大的粒子或分子透過的能力是很強的。

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把產(chǎn)物分在兩側，很容易收集樣品

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節(jié)能、環(huán)保第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天§3.1概述

所謂的膜，是指在一種流體相內或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質作用。

膜的特性：◆不管膜多薄,它必須有兩個界面。這兩個界面分別與兩側的流體相接觸◆膜傳質有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質透過，而不允許其它物質透過。膜是什么？有何特性？第3頁,共28頁，2024年2月25日，星期天膜分離過程原理：以選擇性透膜為分離介質，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、壓力差或電壓差等）時，使原料側組分選擇性地透過膜，以達到分離提純的目的。通常膜原料側稱為膜上游，透過側稱為膜下游。膜上游

透膜

膜下游選擇性透膜第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

膜分離的物理化學原理截流機理和篩孔效應滲透和滲透壓Donnan效應機械截留（篩孔效應）物理作用或吸附截留架橋作用網(wǎng)絡內部截流第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.2.1.膜的種類及制備方法按材料的來源可分為天然生物膜與人工合成膜；按膜分離過程的推動力可分為壓力差、電位差、濃度差、溫度差等膜；按膜的結構可分為對稱和非對稱膜兩大類，其中非對稱膜還可細分為多孔膜、疊合膜以及復合膜等。第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

分離膜種類分離膜高分子膜液體膜生物膜帶電膜非帶電膜陽離子膜陰離子膜過濾膜精密過濾膜超濾膜反滲透膜納米濾膜第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.膜材料及制膜方法膜過程

膜材料

微濾聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯聚碳酸酯、聚（醚）砜、聚（醚）酰亞胺、聚醚醚酮等氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、碳化硅

超濾聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈、聚（醚）酰亞胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纖維素類等氧化鋁、氧化鋯納濾聚酰（亞）胺

反滲透二醋酸纖維素、三醋酸纖維素、聚芬香酰胺類、聚合苯并咪唑（酮）聚酰（亞）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等電滲析膜電解含有離子基團的聚電解質：磺酸型、季胺型等四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟單體共聚物滲透氣化彈性態(tài)或玻璃態(tài)聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺

氣體分離彈性態(tài)聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯玻璃態(tài)聚合物：聚酰亞胺、聚砜膜接觸器疏水聚合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯滲析親水聚合物：再生纖維素、醋酸纖維素、乙烯－乙烯醇共聚物、乙烯－醋酸乙烯酯共聚物第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.2.1.3離子交換膜

在直流電場的作用下,溶液中的離子透過膜的遷移稱為電滲析。電滲析使用的膜通常是具有選擇透過性能的離子交換膜(ChargedMembranes)。用電滲析可使溶液中的離子有選擇地分離或富集。

為什么離子交換膜具有選擇性呢？離子交換膜是一種由功能高分子物質構成的薄膜狀的離子交換樹脂。它分為陽離子交換膜和陰離子交換膜兩種。離子交換膜之所以具有選擇透過性，主要是由于膜上孔隙和離子基團的作用。第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天正極陰離子交換膜負極+固定離子Cl-Na+-第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

高分子膜中間有足夠大的孔隙，水中的離子在膜孔隙通道（比膜厚度大得多）中電遷移運動。例如，在水溶液中,陰離子交換膜的活性基團會發(fā)生離解，留下的是帶正電荷的固定基團，構成了強烈的正電場。在外加直流電場作用下，根據(jù)異電相吸原理，溶液中帶負電的陰離子就可被它吸引、傳遞而通過離子交換膜到另一側，而帶正電荷的陽離子則離子膜上固定負電荷基團的排斥不能通過交換膜。第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

在電滲析過程中,膜的作用并不象離子交換樹脂那樣對溶液中的某種離子起交換作用,而是對不同電性的離子起選擇透過作用,因而離子交換膜實際上應稱為離子選擇性透過膜。

應用舉例中草藥有效成分的分離和精制：通過電滲析一般可以把中草藥提取液分離分成無機陽離子和生物堿、無機陰離子和有機酸、中性化合物和高分子化合物三部分。純水制備：電滲析制備初級水,可去鹽80-90%；再用離子交換除鹽10-20%制備高級水。這樣既降低成本,又減少污染。水污染處理：如回收鍍鎳廢水等等第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.2.2相轉化制膜的機理用相轉化制備聚合物膜的方法有雙組分或多組分均相溶液的熱凝膠、從三組分聚合物中蒸發(fā)揮發(fā)溶劑、均相聚合物溶液中添加非溶劑等三種方法。

3.2.2.1雙組分或多組分均相溶液的熱凝膠P40圖3-83.2.2.3從三組分聚合物溶液中蒸發(fā)揮發(fā)性溶劑圖3-93.2.2.3均相聚合物溶液中添加非溶劑圖3-10第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.2.3影響膜滲透性質的各種因素一般情況下,膜的滲透速率越大,不同組分透過膜的滲透速率差就越小,這對實際分離是非常不利聚合物膜對氣體或液體的滲透過程通常以溶解-擴散機理來解釋。如氣體分子首先溶解于膜的高壓側表面，然后在膜內擴散，再從膜的低壓側溶解出來。由費克定律可知，氣體分子在膜中的擴散通量或滲透率為：

J=-D（dc/dz）若氣體溶于膜中的濃度C與氣體壓力P之間服從亨利定律即：

C=Sp

則有J=

第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天由此可計算出平均滲透系數(shù)若擴散系數(shù)和溶解度系數(shù)與壓力無關，則有：P：滲透系數(shù)；S：溶解度系數(shù)；D：擴散系數(shù)

P=DS第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.2.3.1溫度、壓力的影響影響滲透率的因素應該包括以下幾個方面：溫度、壓力、濃度、膜本身的性能、當然還有驅動力。在一定的溫度范圍內，可用Arrhenius方程來描述溫度對滲透系數(shù)、擴散系數(shù)、溶解度系數(shù)的影響。

P=P0exp[（-Ep/RT）]；

D=D0exp[（-Ed/RT）]；

S=S0exp[（-△Hs/RT）]P=DS；P0=D0S0；Ep=Ed+△Hs第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

一般情況下，擴散系數(shù)和滲透系數(shù)都隨之升高，但溫度對S的影響比較復雜。當溶解在聚合物膜內的組分是蒸氣時，有

混合熱主要與滲透組分和聚合物膜的凝聚密度有關第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.2.3.2溶液性質的影響滲透組分在膜內的擴散系數(shù)隨組分分子體積的大小和形狀而變。滲透組分的成分和濃度對滲透速率及滲透選擇性也有很大影響。氣體在膜內的溶解度可以用亨利定律來表示。第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天對一般蒸氣和液體，濃度對D和S的影響可以用溫度影響類似公式來表示

D=D0exp（AC）

S=S0exp（σC）A,σ:特性參數(shù);C:溶液濃度

對雙組分體系,可把擴散系數(shù)表示為兩組分濃度的指數(shù)函數(shù):

Di=D0iexp(AiiCi+AijCj)

Dj=D0jexp(AjiCi+AjjCj)第20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.2.3.3聚合物膜結構對滲透性質的影響聚合物指由許多相同的、簡單的結構單元通過共價鍵重復連接而成的高分子量(通常可達104～106)化合物。例如聚氯乙烯分子是由許多氯乙烯分子結構單元—CH2CHCl—重復連接而成，因此—CH2CHCl—又稱為結構單元或鏈節(jié)。由能夠形成結構單元的小分子所組成的化合物稱為單體，是合成聚合物的原料。聚氯乙烯可縮寫成：

[—CH2CHCl—]n

第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天n代表重復單元數(shù)，又稱聚合度，聚合度是衡量高分子聚合物的重要指標。聚合度很低的(1～100)的聚合物稱為低聚物，只有當分子量高達104～106(如塑料、橡膠、纖維等)才稱為高分子聚合物。由一種單體聚合而成的聚合物稱為均聚物，如上述的聚氯乙烯、聚乙烯等。由兩種以上單體共聚而成的聚合物則稱為共聚物，如氯乙烯—醋酸乙烯共聚物等第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天熔融溫度是結晶聚合物使用的上限溫度。結構不規(guī)整或鏈間次價力較弱的聚合物(如聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等)難以結晶，一般為不定型態(tài)。無定型聚合物在一定負荷和受力速度下，于不同溫度可呈現(xiàn)玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)三種力學狀態(tài)玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉變溫度稱玻璃化溫度(Tg)，是無定型塑料使用的上限，橡膠使用的是下限溫度。從高彈態(tài)到黏流態(tài)的轉變溫度稱黏流溫度(Tf)，是聚合物加工成型的重要參數(shù)。

第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天當聚合處于玻璃態(tài)時，整個大分子鏈和鏈段的運動均被凍結，宏觀性質為硬、脆、形變小，只呈現(xiàn)一般硬性固體的普彈形變。聚合物處于高彈態(tài)時，鏈段運動高度活躍，表現(xiàn)出高形變能力的高彈性。當線型聚合物在黏流溫度以上時，聚合物變?yōu)槿廴?、黏滯的液體，受力可以流動，并兼有彈性和黏流行為，稱黏彈性。。第24頁,共28頁，2024年2月25日，星期天聚合熔體和濃溶液攪拌時的爬桿現(xiàn)象，擠出物出口模時的膨脹現(xiàn)象以及減阻效應等，都是黏彈行為的具體表現(xiàn)。其他如聚合物的蠕變、應力松弛和交變應力作用下的發(fā)熱、內耗等均屬黏彈行為第25頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.基本原理

滲透汽化是利用致密高聚物膜對液體混合物中組分的溶解擴散性能的不同實現(xiàn)組分分離的一種膜過程。液體混合物原料經(jīng)加熱器熱到一定溫度后，在常壓下送入膜分離器與膜接觸，在膜的下游側用抽真空或載氣吹掃的方法維持低壓。滲透物組分在膜兩側的蒸汽分壓差(或化學位梯度)的作用下透過膜，并在膜的下游側汽化，被冷凝成液體而除去。不能透過膜的截留物流出膜分離器。

圖中下游側抽