高分子分離膜化工

高分子分離膜化工目錄高分子分離膜的簡述1高分子分離膜的應(yīng)用4高分子分離膜的制備3高分子分離膜的分類2第2頁,共32頁，2024年2月25日，星期天

高分子分離膜的簡述一、高分子分離膜，是由聚合物或高分子復(fù)合材料制得的具有分離流體混合物功能的薄膜。二、膜分離過程就是用分離膜作間隔層，在壓力差、濃度差或電位差的推動力下，借流體混合物中各組分透過膜的速率不同，使之在膜的兩側(cè)分別富集，以達到分離、精制、濃縮及回收利用的目的。三、單位時間內(nèi)流體通過膜的量（透過速度）、不同物質(zhì)透過系數(shù)之比（分離系數(shù)）或?qū)δ撤N物質(zhì)的截留率是衡量膜性能的重要指標。第3頁,共32頁，2024年2月25日，星期天高分子分離膜結(jié)構(gòu)第4頁,共32頁，2024年2月25日，星期天隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和人類對物質(zhì)利用廣度的開拓，物質(zhì)的分離已成為重要的研究課題。分離的類型包括同種物質(zhì)按不同大小尺寸的分離；異種物質(zhì)的分離；不同物質(zhì)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(jié)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。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。高分子分離膜的前景第5頁,共32頁，2024年2月25日，星期天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(zhì)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(zhì)離子的選擇傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)離子交換膜氣體分離壓力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(fù)合膜，非對稱膜滲透蒸發(fā)壓力差選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜液膜分離濃度差反應(yīng)促進和擴散傳遞雜質(zhì)溶劑乳狀液膜、支撐液膜高分子分離膜的過程第6頁,共32頁，2024年2月25日，星期天膜分離過程可概述為以下三種形式液膜分離滲析式膜分離過濾式膜分離膜分離過程三種形式第7頁,共32頁，2024年2月25日，星期天

高分子分離膜的分類一、高分子分離膜可按結(jié)構(gòu)分為:

①致密膜，膜中無微孔，物質(zhì)僅從高分子鏈段之間的自由空間通過；②多孔質(zhì)膜，一般膜中含有孔徑為0.02～20μm的微孔，可用于截留膠體粒子、細菌、高分子量物質(zhì)粒子等；③不對稱膜，由同一種高分子材料制成，膜的表面層與膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不相同，表面層為0.1～0.25μm薄的活性層，內(nèi)部為較厚的多孔層;④含浸型膜，在高分子多孔質(zhì)膜上含浸有載體而形成的促進輸送膜和含有官能基團的膜，如離子交換膜；⑤增強膜，以纖維織物或其他方式增強的膜。

二、按膜的分離特性和應(yīng)用角度分為：反滲透膜（或稱逆滲透膜）、超過濾膜、微孔過濾膜、氣體分離膜、離子交換膜、有機液體透過蒸發(fā)膜、動力形成膜、鑲嵌帶電膜、液體膜、透析膜、生物醫(yī)學(xué)用膜等多種類別。第8頁,共32頁，2024年2月25日，星期天高分子分離膜的制備

1.分離膜制備工藝類型

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。目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實用的是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。第9頁,共32頁，2024年2月25日，星期天高分子分離膜的制備多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復(fù)合膜形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑L—S法制分離膜工藝流程框圖備第10頁,共32頁，2024年2月25日，星期天高分子分離膜的制備聚合物溶劑添加劑均質(zhì)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非對稱膜L—S法制備分離膜工藝流程框圖第11頁,共32頁，2024年2月25日，星期天典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、滲析(D)、電滲析(ED)、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)(PV)等，下面分別介紹之。微孔過濾技術(shù)1.微孔過濾和微孔膜的特點微孔過濾技術(shù)始于十九世紀中葉，是以靜壓差為推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的“篩分”作用進行分離的膜過程。實施微孔過濾的膜稱為微孔膜。

高分子分離膜的應(yīng)用第12頁,共32頁，2024年2月25日，星期天

高分子分離膜的應(yīng)用微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，過濾粒徑在0.025～10μm之間，操作壓在0.01～0.2MPa。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微孔膜約有13類，總計400多種。微孔膜的主要優(yōu)點為：①孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；②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％。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍；第13頁,共32頁，2024年2月25日，星期天高分子分離膜的應(yīng)用③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，可忽略不計。④無介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。微孔膜的缺點：①顆粒容量較小，易被堵塞；②使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。第14頁,共32頁，2024年2月25日，星期天高分子分離膜的應(yīng)用微孔過濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域微孔過濾技術(shù)目前主要在以下方面得到應(yīng)用：（1）微粒和細菌的過濾?？捎糜谒母叨葍艋?、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。第15頁,共32頁，2024年2月25日，星期天（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。（4）食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和黃酒等酒類進行過濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類產(chǎn)品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操作，不會使酒類產(chǎn)品變味。高分子分離膜的應(yīng)用第16頁,共32頁，2024年2月25日，星期天（5）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時，細菌的尸體仍留在藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜有突出的優(yōu)點，經(jīng)過微孔膜過濾后，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。許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的過濾技術(shù)難以達到要求，必須采用微濾技術(shù)。高分子分離膜的應(yīng)用第17頁,共32頁，2024年2月25日，星期天超濾技術(shù)

1.超濾和超濾膜的特點超濾技術(shù)始于1861年，其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間，約5～10nm，在0.1～0.5MPa的靜壓差推動下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質(zhì)、酶等相對分子質(zhì)量大于500的大分子及膠體，形成濃縮液，達到溶液的凈化、分離及濃縮目的。超濾技術(shù)的核心部件是超濾膜，分離截留的原理為篩分，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。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離效率。高分子分離膜的應(yīng)用第18頁,共32頁，2024年2月25日，星期天超濾膜均為不對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。超濾膜的結(jié)構(gòu)一般由三層結(jié)構(gòu)組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1～1.5μm，其中細孔孔徑一般小于10nm；中間的過渡層，具有大于10nm的細孔，厚度一般為1～10μm；最下面的支撐層，厚度為50～250μm，具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機械強度。膜的分離性能主要取決于表面活性層和過度層。高分子分離膜的應(yīng)用第19頁,共32頁，2024年2月25日，星期天中空纖維狀超濾膜的外徑為0.5～2μm。特點是直徑小，強度高，不需要支撐結(jié)構(gòu)，管內(nèi)外能承受較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜的內(nèi)表面積很大，能有效提高滲透通量。制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質(zhì)，如醋酸纖維素超濾膜適用于pH=3～8，三醋酸纖維素超濾膜適用于pH=2～9，芳香聚酰胺超濾膜適用于pH=5～9，溫度0～40℃，而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過100℃。高分子分離膜的應(yīng)用第20頁,共32頁，2024年2月25日，星期天超濾膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域超濾膜的應(yīng)用也十分廣泛，在作為反滲透預(yù)處理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽極電泳漆和陰極電泳漆的生產(chǎn)、電子工業(yè)高純水的制備、工業(yè)廢水的處理等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。超濾技術(shù)主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分離，是目前應(yīng)用最廣的膜分離過程之一，它的應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。主要可歸納為以下方面。高分子分離膜的應(yīng)用第21頁,共32頁，2024年2月25日，星期天反滲透技術(shù)1.反滲透原理及反滲透膜的特點滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質(zhì)。目前，反滲透技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用的現(xiàn)代分離技術(shù)。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術(shù)有其他方法不可比擬的優(yōu)勢。高分子分離膜的應(yīng)用第22頁,共32頁，2024年2月25日，星期天滲透和反滲透的原理如圖4—4所示。如果用一張只能透過水而不能透過溶質(zhì)的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷移，這一現(xiàn)象稱滲透（圖4—4a）。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學(xué)位與高濃度溶液中水的化學(xué)位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓。隨著水的滲透，高濃度水溶液一側(cè)的液面升高，壓力增大。當液面升高至H時，滲透達到平衡，兩側(cè)的壓力差就稱為滲透壓（圖4—4b）。滲透過程達到平衡后，水不再有滲透，滲透通量為零。高分子分離膜的應(yīng)用第23頁,共32頁，2024年2月25日，星期天圖4—4滲透與反滲透原理示意圖高分子分離膜的應(yīng)用第24頁,共32頁，2024年2月25日，星期天反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。一般來說，分離溶液中分子量低于500的低分子物質(zhì)，應(yīng)該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于500的大分子或極細的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分離溶液中的直徑0.1～10μm的粒子應(yīng)該選微孔膜。以上關(guān)于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是十分嚴格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。高分子分離膜的應(yīng)用第25頁,共32頁，2024年2月25日，星期天表4—3反滲透、超濾和微孔過濾技術(shù)的原理和操作特點比較分離技術(shù)類型反滲透超濾微孔過濾膜的形式表面致密的非對稱膜、復(fù)合膜等非對稱膜，表面有微孔微孔膜膜材料纖維素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等纖維素、PVC等操作壓力/MPa2～1000.1～0.50.01～0.2分離的物質(zhì)分子量小于500的小分子物質(zhì)分子量大于500的大分子和細小膠體微粒0.1～10μm的粒子分離機理非簡單篩分，膜的物化性能對分離起主要作用篩分，膜的物化性能對分離起一定作用篩分，膜的物理結(jié)構(gòu)對分離起決定作用水的滲透通量/(m3.m-2.d-1)0.1～2.50.5～520～200高分子分離膜的應(yīng)用第26頁,共32頁，2024年2月25日，星期天反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域反滲透膜最早應(yīng)用于苦咸水淡化。隨著膜技術(shù)的發(fā)展，反滲透技術(shù)已擴展到化工、電子及醫(yī)藥等領(lǐng)域。反滲透過程主要是從水溶液中分離出水，分離過程無相變化，不消耗化學(xué)藥品，這些基本特征決定了它以下的應(yīng)用范圍。（1）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。近年來，反滲透技術(shù)在家用飲水機及直飲水給水系統(tǒng)中的應(yīng)用更體現(xiàn)了其優(yōu)越性。高分子分離膜的應(yīng)用第27頁,共32頁，2024年2月25日，星期天（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)品的療效、風(fēng)味和營養(yǎng)等均不受影響。（3）印染、食品、造紙等工業(yè)中用于處理污水，回收利用廢業(yè)中有用的物質(zhì)等。高分子分離膜的應(yīng)用第28頁,共32頁，2024年2月25日，星期天納濾膜的特點納濾膜是八十年代在反滲透復(fù)合膜基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，是超低壓反滲透技術(shù)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(shù)中分離出來，成為獨立的分離技術(shù)。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(zhì)，可以使一價鹽和