高分子分離膜專題課件

2011-6-122011-6-1青島理工大學(xué)2有機(jī)化學(xué)1010.5.1基本概念和膜的種類膜(Membrane)是什么？有何特性？

所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)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(zhì)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(cè) 的流體相接觸 ◆膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透 過，而不允許其它物質(zhì)透過。第1頁/共91頁2011-6-132011-6-1青島理工大學(xué)3有機(jī)化學(xué)10膜分離過程原理：

以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、壓力差或電位差等）時，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純的目的。 通常膜原料側(cè)稱為膜上游，透過側(cè)稱為膜下游。第2頁/共91頁2011-6-142011-6-1青島理工大學(xué)4有機(jī)化學(xué)10分離膜與膜分離技術(shù)的概念——指能以特定形式限制和傳遞流體物質(zhì)的分隔兩相或兩部 分的界面?！问娇梢允枪虘B(tài)的，也可以是液態(tài)的。被膜分割的流體物質(zhì)可以是 液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的?！ぶ辽倬哂袃蓚€界面，膜通過這兩個界面與被分割的兩側(cè)流體接觸 并進(jìn)行傳遞?！蛛x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。——膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱為膜技術(shù)。第3頁/共91頁2011-6-152011-6-1青島理工大學(xué)5有機(jī)化學(xué)10膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

膜分離技術(shù)是利用膜對混合物中各組分的選擇滲透 性能的差異來實(shí)現(xiàn)分離、提純和濃縮的新型分離技術(shù)。膜 分離過程的共同優(yōu)點(diǎn)是成本低、能耗少、效率高、無污染 并可回收有用物質(zhì)，特別適合于性質(zhì)相似組分、同分異構(gòu) 體組分、熱敏性組分、生物物質(zhì)組分等混合物的分離，因 而在某些應(yīng)用中能代替蒸餾、萃取、蒸發(fā)、吸附等化工單 元操作。實(shí)踐證明，當(dāng)不能經(jīng)濟(jì)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(shù)往往是非常有用 的。并且膜技術(shù)還可以和常規(guī)的分離方法結(jié)合起來使用， 使技術(shù)投資更為經(jīng)濟(jì)。第4頁/共91頁62011-6-1青島理工大學(xué)6有機(jī)化學(xué)10——膜分離過程沒有相的變化(滲透蒸發(fā)膜除外)，常溫下 即可操作；——由于避免了高溫操作，所濃縮和富集物質(zhì)的性質(zhì)不容 易發(fā)生變化，因此在膜分離過程食品、醫(yī)藥等行業(yè)使用具 有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)；——膜分離裝置簡單、操作容易，對無機(jī)物、有機(jī)物及生 物制品均可適用，并且不產(chǎn)生二次污染。 由于上述優(yōu)點(diǎn)，近二三十年來，膜科學(xué)和膜技術(shù)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(yīng)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(lǐng)域。2011-6-1第5頁/共91頁2011-6-172011-6-1青島理工大學(xué)7有機(jī)化學(xué)10分離膜高分子膜液體膜生物膜帶電膜非帶電膜分離膜種類

陽離子膜陰離子膜 過濾膜反滲透膜精密過濾膜 超濾膜 納米濾膜第6頁/共91頁2011-6-182011-6-1青島理工大學(xué)8有機(jī)化學(xué)10高分子膜材料

目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類、聚 砜類、聚酰胺類及其他材料。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(shí)驗(yàn)室 中。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。第7頁/共91頁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(zhì)等2011-6-192011-6-1青島理工大學(xué)9有機(jī)化學(xué)10

膜材料的分類1.按膜的材料分類第8頁/共91頁2011-6-1102011-6-1青島理工大學(xué)10有機(jī)化學(xué)102.按膜的分離原理及適用范圍分類

根據(jù)分離膜的分離原理和推動力的不同，可將其分 為微孔膜、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。3.按膜斷面的物理形態(tài)分類

根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對稱 膜，不對稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中空纖維膜 等。第9頁/共91頁2011-6-1112011-6-1青島理工大學(xué)11有機(jī)化學(xué)104.按功能分類

日本著名高分子學(xué)者清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃榉蛛x功 能膜（包括氣體分離膜、液體分離膜、離子交換膜、化學(xué) 功能膜）、能量轉(zhuǎn)化功能膜（包括濃差能量轉(zhuǎn)化膜、光能 轉(zhuǎn)化膜、機(jī)械能轉(zhuǎn)化膜、電能轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜）、生物功 能膜（包括探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜）等。第10頁/共91頁OHCH2OHOOH2011-6-1122011-6-1青島理工大學(xué)12機(jī)化學(xué)10有1.纖維素酯類膜材料

纖維素是由幾千個椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1,4-β-

甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：HOHOH

HHOHHHOHHO

H OH HCH2OHOHOHCH2OH

O H HHOHHH

H OH HCH2OHOH HHOOHn_2 2第11頁/共91頁2011-6-1132011-6-1青島理工大學(xué)13有機(jī)化學(xué)10

從結(jié)構(gòu)上看，纖維素的每個葡萄糖單元上有三個羥基。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(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。

C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2O C6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH第12頁/共91頁2011-6-1142011-6-1青島理工大學(xué)14有機(jī)化學(xué)10

醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。 醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。為了改進(jìn)其性能，進(jìn)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、醋酸丁酸纖維素也是很好的膜材料。

纖維素類材料易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。第13頁/共91頁2011-6-1152011-6-1青島理工大學(xué)15有機(jī)化學(xué)102.非纖維素酯類膜材料（1）非纖維素酯類膜材料的基本特性

①分子鏈中含有親水性的極性基團(tuán)； ②主鏈上應(yīng)有苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團(tuán)，使之有高的抗壓 密性和耐熱性； ③化學(xué)穩(wěn)定性好； ④具有可溶性； 常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、 芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。第14頁/共91頁2011-6-1162011-6-1青島理工大學(xué)16有機(jī)化學(xué)10（2）主要的非纖維素酯類膜材料（i）聚砜類O

S O常將粉狀聚砜懸浮于有機(jī)溶劑中，用氯磺酸進(jìn)行磺化。 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。第15頁/共91頁2011-6-1172011-6-1青島理工大學(xué)17有機(jī)化學(xué)10

聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為1～13，最高使用溫度達(dá)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。這類樹脂中，目前的代表品種有：第16頁/共91頁2011-6-1182011-6-1青島理工大學(xué)18有機(jī)化學(xué)10聚醚砜聚苯醚砜[O]nSO[O]nSO OOO第17頁/共91頁2011-6-1192011-6-1青島理工大學(xué)19有機(jī)化學(xué)10（ii）聚酰胺類

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(dá)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(tuán)易與氯 反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有較高要求。第18頁/共91頁2011-6-1202011-6-1青島理工大學(xué)20有機(jī)化學(xué)10

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：nH2NCONHNH2+nClCOCClNHCONHNHCCnDMACOOO第19頁/共91頁2011-6-1212011-6-1青島理工大學(xué)21有機(jī)化學(xué)10類似結(jié)構(gòu)的芳香族聚酰胺膜材料還有：ONHNHCO[NH]n[NHC

CONHNHCONHCOOC]n第20頁/共91頁222011-6-1

2011-6-1青島理工大學(xué)22機(jī)化學(xué)10有（iii）芳香雜環(huán)類

①聚苯并咪唑類

如由美國Celanese公司研制的PBI膜即為此種類型。 這種膜材料可用以下路線合成：NH2H2NNH2H2N+nOCOCOONNCHNNCH+2nOH+2nH2On第21頁/共91頁2011-6-1232011-6-1青島理工大學(xué)23有機(jī)化學(xué)10②聚苯并咪唑酮類

這類膜的代表是日本帝人公司生產(chǎn)的PBLL膜，其化學(xué)結(jié) 構(gòu)為：NCONHSO2HNN

CO

n

這種膜對0.5％NaCl溶液的分離率達(dá)90％～95％，并有較高的透水速率。第22頁/共91頁2011-6-1242011-6-1青島理工大學(xué)24機(jī)化學(xué)10有③聚吡嗪酰胺類

這類膜材料可用界面縮聚方法制得，反應(yīng)式為：nClCOCHCOCHCl+nHNNHRR'界面縮聚COCHCOCHNNRR'+2nHCln第23頁/共91頁2011-6-1252011-6-1青島理工大學(xué)25有機(jī)化學(xué)10

④聚酰亞胺類

聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。NCOCONCO COArn第24頁/共91頁2011-6-1262011-6-1青島理工大學(xué)26有機(jī)化學(xué)10

其中，Ar為芳基，對氣體分離的難易次序如下：H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8易難

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(jié)構(gòu)為：NCCOOCH2CHRN

CCOOCH2

CHn第25頁/共91頁2011-6-1272011-6-1青島理工大學(xué)27有機(jī)化學(xué)10（iv）離子性聚合物

離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子交換樹 脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽離子膜、弱酸型陽 離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜等。在淡化海 水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)酸型陽離子交換膜。

磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離子聚合 物膜。第26頁/共91頁282011-6-1

2011-6-128機(jī)化學(xué)10有OCH3H3CSO3H+HClSO3CH3OH3C+HClnnCH3CCH3OO

SOO+HClSO3nCH3CCH3O

S O青島理工大學(xué)On

OSO3H第27頁/共91頁2011-6-1292011-6-1青島理工大學(xué)29有機(jī)化學(xué)10（v）乙烯基聚合物

用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、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?！簿畚锇ǎ壕郾┐?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?！垡蚁┐?丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。第28頁/共91頁2011-6-1302011-6-1青島理工大學(xué)30有機(jī)化學(xué)1010.5.2高分子分離膜各論膜分離技術(shù)發(fā)展簡史

高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（A. Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動地擴(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開 創(chuàng)了膜滲透的研究。

1861年，施密特（A.Schmidt）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(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離 溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙 高得多。這種過濾可稱為超過濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過 濾應(yīng)稱為微孔過濾。第29頁/共91頁2011-6-1312011-6-1青島理工大學(xué)31有機(jī)化學(xué)10然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)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。第30頁/共91頁2011-6-1322011-6-1青島理工大學(xué)32有機(jī)化學(xué)10

自上世紀(jì)60年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)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）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。 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(jìn)—步提高。第31頁/共91頁2011-6-1332011-6-1青島理工大學(xué)33有機(jī)化學(xué)10

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。

60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新型液膜，并于1968年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。

70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。第32頁/共91頁2011-6-1342011-6-1青島理工大學(xué)34有機(jī)化學(xué)10膜分離過程的主要特點(diǎn)：——以具有選擇透過性的膜作為分離的手段，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分子 尺寸的分離和混合物組分的分離。膜分離過程的推動力有

濃度差、壓力差和電位差等。膜分離過程可概述為以下三種形式：

①滲析式膜分離

料液中的某些溶質(zhì)或離子在濃度差、電位差的推動 下，透過膜進(jìn)入接受液中，從而被分離出去。屬于滲析式 膜分離的有滲析和電滲析等；第33頁/共91頁2011-6-1352011-6-1青島理工大學(xué)35有機(jī)化學(xué)10

②過濾式膜分離

利用組分分子的大小和性質(zhì)差別所表現(xiàn)出透過膜的速率差別，達(dá)到組分的分離。屬于過濾式膜分離的有超濾、微濾、反滲透和氣體滲透等；

③液膜分離

液膜與料液和接受液互不混溶，液液兩相通過液膜實(shí)現(xiàn)滲透，類似于萃取和反萃取的組合。溶質(zhì)從料液進(jìn)入液膜相當(dāng)于萃取，溶質(zhì)再從液膜進(jìn)入接受液相當(dāng)于反萃取。第34頁/共91頁膜過程推動力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型微濾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壓力差離子大小及電荷水、一價離子、多價離子有機(jī)物復(fù)合膜

滲析反滲透濃度差 壓力差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞溶劑的擴(kuò)散傳遞低分子量物、離子水、溶劑溶劑溶質(zhì)、鹽非對稱性膜復(fù)合膜電滲析電位差選擇傳遞電解質(zhì)離子大分子物質(zhì)離子交換膜氣體分離壓力差氣體和蒸汽的擴(kuò)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(jìn)和擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)溶劑乳狀液膜、支撐液膜2011-6-1362011-6-1青島理工大學(xué)36有機(jī)化學(xué)10表4-2幾種主要分離膜的分離過程第35頁/共91頁2011-6-1372011-6-1青島理工大學(xué)37有機(jī)化學(xué)10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。1微孔過濾技術(shù)-MF

微孔過濾和微孔膜的特點(diǎn)

微孔過濾技術(shù)始于十九世紀(jì)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(jìn)行分離的膜過程。實(shí)施微孔過濾的膜稱為微孔膜。第36頁/共91頁2011-6-1382011-6-1青島理工大學(xué)38有機(jī)化學(xué)10

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(diǎn)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37頁/共91頁2011-6-1392011-6-1青島理工大學(xué)39有機(jī)化學(xué)10

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(diǎn)：

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38頁/共91頁2011-6-1402011-6-1青島理工大學(xué)40有機(jī)化學(xué)10★微孔過濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（1）微粒和細(xì)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(xì)菌的檢測。微孔膜可作為微粒和細(xì)菌的富集 器，從而進(jìn)行微粒和細(xì)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(xì)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啤、黃酒等酒 類進(jìn)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。第39頁/共91頁2011-6-1412011-6-1青島理工大學(xué)41有機(jī)化學(xué)10（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(xì)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(diǎn)，經(jīng)過微孔膜過濾后，細(xì)菌被截 留，無細(xì)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(dá)到要求，必須采用微濾技術(shù)。第40頁/共91頁2011-6-1422011-6-1青島理工大學(xué)42有機(jī)化學(xué)102超濾技術(shù)

超濾和超濾膜的特點(diǎn)

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(dá)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。第41頁/共91頁2011-6-1432011-6-1青島理工大學(xué)43有機(jī)化學(xué)10

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(xì)孔孔徑一般小于10nm；中間的過渡層，具有大于10nm

的細(xì)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(jī)械強(qiáng)度。膜的分離性能主要取決于表面活性層和過度層。第42頁/共91頁2011-6-1442011-6-1青島理工大學(xué)44有機(jī)化學(xué)10

中空纖維狀超濾膜的外徑為0.5～2μm。特點(diǎn)是直徑小，強(qiáng)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℃。第43頁/共91頁2011-6-1452011-6-1青島理工大學(xué)45有機(jī)化學(xué)10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。第44頁/共91頁462011-6-1青島理工大學(xué)46有機(jī)化學(xué)10（1）純水的制備。超濾技術(shù)廣泛用于水中的細(xì)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）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(zhì)），用超濾裝置可分離出清水重復(fù)用于清洗，同 時又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。（3）食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超濾技術(shù) 可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。（4）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應(yīng)用超濾技術(shù)可除去 果汁的果膠和酒中的微生物等雜質(zhì)，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)中用于處理熱敏性物質(zhì)，分離濃縮 生物活性物質(zhì)，從生物中提取藥物等。（6）造紙廠的廢水處理。

2011-6-1第45頁/共91頁2011-6-1472011-6-1青島理工大學(xué)47有機(jī)化學(xué)103反滲透技術(shù)1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)

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。第46頁/共91頁2011-6-1482011-6-1青島理工大學(xué)48有機(jī)化學(xué)10

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(dāng)液面升高至H時，滲透達(dá)到平衡，兩側(cè)的壓力差就稱為滲透壓（圖4—4b）。滲透過程達(dá)到平衡后，水不再有滲透，滲透通量為零。第47頁/共91頁2011-6-1492011-6-1青島理工大學(xué)49有機(jī)化學(xué)10圖4—4滲透與反滲透原理示意圖第48頁/共91頁2011-6-1502011-6-1青島理工大學(xué)50有機(jī)化學(xué)10

如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液側(cè)與低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側(cè)，這一過程就稱為反滲透（圖4—4c）。 反滲透技術(shù)所分離的物質(zhì)的分子量一般小于500，操作壓力為2～100MPa。 用于實(shí)施反滲透操作的膜為反滲透膜。反滲透膜大部分為不對稱膜，孔徑小于0.5nm，可截留溶質(zhì)分子。第49頁/共91頁2011-6-1512011-6-1青島理工大學(xué)51有機(jī)化學(xué)10

制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。 反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭論，主要有氫鍵理論、選擇吸附—毛細(xì)管流動理論、溶解擴(kuò)散理論等。第50頁/共91頁2011-6-1522011-6-1青島理工大學(xué)52有機(jī)化學(xué)102.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(xì)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(yán)格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。第51頁/共91頁分離技術(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(xì)小膠體微粒0.1～10μm的粒子分離機(jī)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

3-2-1

/(m.m.d)0.1～2.50.5～520～2002011-6-1532011-6-1青島理工大學(xué)53有機(jī)化學(xué)10

微孔過濾、超濾和反滲透技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較如表4—3所示。表4—3反滲透、超濾和微孔過濾技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較第52頁/共91頁2011-6-1542011-6-1青島理工大學(xué)54有機(jī)化學(xué)103.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(kuò)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(jī)及直飲水給水系統(tǒng)中的應(yīng)用更體現(xiàn)了其優(yōu)越性。第53頁/共91頁2011-6-1552011-6-1青島理工大學(xué)55有機(jī)化學(xué)10（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。第54頁/共91頁2011-6-1562011-6-1青島理工大學(xué)56有機(jī)化學(xué)104納濾技術(shù)

納濾膜的特點(diǎn)

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(dú)立的分離技術(shù)。第55頁/共91頁2011-6-1572011-6-1青島理工大學(xué)57有機(jī)化學(xué)10

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)，可以使一價鹽和小分子物質(zhì)透過，具有較小的操作壓（0.5～1MPa）。其被分離物質(zhì)的尺寸介于反滲透膜和超濾膜之間，但與上述兩種膜有所交叉。 目前關(guān)于納濾膜的研究多集中在應(yīng)用方面，而有關(guān)納濾膜的制備、性能表征、傳質(zhì)機(jī)理等的研究還不夠系統(tǒng)、全面。進(jìn)一步改進(jìn)納濾膜的制作工藝，研究膜材料改性，將可極大提高納濾膜的分離效果與清洗周期。第56頁/共91頁2011-6-1582011-6-1青島理工大學(xué)58有機(jī)化學(xué)102.納濾膜及其技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

納濾技術(shù)最早也是應(yīng)用于海水及苦咸水的淡化方面。由于該技術(shù)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(jī)物含量高、濁度低的原水處理及高純水制備中頗受矚目；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；在醫(yī)藥行業(yè)可用于氨基酸生產(chǎn)、抗生素回收等方面；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。第57頁/共91頁2011-6-1592011-6-1青島理工大學(xué)59有機(jī)化學(xué)105離子交換膜1.離子交換膜的分類（1）按可交換離子性質(zhì)分類 與離子交換樹脂類似，離子交換膜按其可交換離子的性能可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對應(yīng)為陽離子、陰離子和陰陽離子。第58頁/共91頁2011-6-1602011-6-1青島理工大學(xué)60有機(jī)化學(xué)10（2）按膜的結(jié)構(gòu)和功能分類

按膜的結(jié)構(gòu)與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。 普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對一價離子的選擇性滲透進(jìn)行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進(jìn)行鹽的濃縮、有機(jī)物質(zhì)的分離等。第59頁/共91頁2011-6-1612011-6-1青島理工大學(xué)61有機(jī)化學(xué)102.離子交換膜的工作原理（1）電滲析 在鹽的水溶液（如氯化鈉溶液）中置入陰、陽兩個電極，并施加電場，則溶液中的陽離子將移向陰極，陰離子則移向陽極，這一過程稱為電泳。如果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜（陽離子交換膜或陰離子交換膜），則陽離子或陰離子會選擇性地通過膜，這一過程就稱為電滲析。第60頁/共91頁2011-6-1622011-6-1青島理工大學(xué)62有機(jī)化學(xué)10

電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、濃縮及鈍化；也可通過電滲析實(shí)現(xiàn)鹽的電解，制備氯氣和氫氧化鈉等。

圖4—5為用于食鹽生產(chǎn)的電滲析器的示意圖。第61頁/共91頁NaNaNaNaNa2011-6-1632011-6-1青島理工大學(xué)63機(jī)化學(xué)10有圖4—5食鹽生產(chǎn)電滲析器示意圖A：陰離子膜，K：陽離子膜；D：稀室，C：濃室Na+Na+Na+Na++++++AKKKKKAAAACl

DCl

CCl

DCl

DCl

DCl

DClCClCCl

C陽極水陰極水咸水Cl2NaOH脫鹽水濃縮液第62頁/共91頁2011-6-1642011-6-1青島理工大學(xué)64有機(jī)化學(xué)10（2）膜電解 膜電解的基本原理可以通過NaCl水溶液的電解來說明。在兩個電極之間加上一定電壓，則陰極生成氯氣，陽極生成氫氣和氫氧化鈉。陽離子交換膜允許Na+滲透進(jìn)入陽極室，同時阻攔了氫氧根離子向陰極的運(yùn)動，在陽極室的反應(yīng)是：

2Na++2H2O+2e=2NaOH+H2

在陰極室的反應(yīng)為：

2Cl－－2e=Cl2第63頁/共91頁2011-6-1652011-6-1青島理工大學(xué)65有機(jī)化學(xué)10

用氟代烴單極或雙極膜制備的的電滲析器已成為用于制備氫氧化鈉的主要方法，取代了其他制備氫氧化鈉的方法。 如果在膜的一面涂上一層陰極的催化劑，在另一面涂一層陽極催化在這兩個電極上加上一定的電壓，則可電解水，在陽極產(chǎn)生氫氣，而在陰極產(chǎn)生氧氣。第64頁/共91頁2011-6-1662011-6-1青島理工大學(xué)66有機(jī)化學(xué)103.電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

自電滲析技術(shù)問世后，其在苦咸水淡化，飲用水及工業(yè)用水制備方面展示了巨大的優(yōu)勢。 隨著電滲析理論和技術(shù)研究的深入，我國在電滲析主要裝置部件及結(jié)構(gòu)方面都有巨大的創(chuàng)新，僅離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的1/3。我國的電滲析裝置主要由國家海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)，現(xiàn)可提供200m3/d規(guī)模的海水淡化裝置。第65頁/共91頁2011-6-1672011-6-1青島理工大學(xué)67有機(jī)化學(xué)10

電滲析技術(shù)在食品工業(yè)、化工及工業(yè)廢水的處理方面也發(fā)揮著重要的作用。特別是與反滲透、納濾等精過濾技術(shù)的結(jié)合，在電子、制藥等行業(yè)的高純水制備中扮演重要角色。 此外，離子交換膜還大量應(yīng)用于氯堿工業(yè)。全氟磺酸膜（Nafion）以化學(xué)穩(wěn)定性著稱，是目前為止唯一能同時耐40％NaOH和100℃溫度的離子交換膜，因而被廣泛應(yīng)用作食鹽電解制備氯堿的電解池隔膜。第66頁/共91頁2011-6-1682011-6-1青島理工大學(xué)68有機(jī)化學(xué)10

全氟磺酸膜還可用作燃料電池的重要部件。燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉?，可能成?1世紀(jì)的主要能源方式之一。經(jīng)多年研制，Nafion膜已被證明是氫氧燃料電池的實(shí)用性質(zhì)子交換膜，并已有燃料電池樣機(jī)在運(yùn)行。但Nafion膜價格昂貴（700美元/m2），故近年來正在加速開發(fā)磺化芳雜環(huán)高分子膜，用于氫氧燃料電池的研究，以期降低燃料電池的成本。第67頁/共91頁2011-6-1692011-6-1青島理工大學(xué)69有機(jī)化學(xué)104.4.6滲透蒸發(fā)技術(shù)1.滲透蒸發(fā)技術(shù)和滲透蒸發(fā)膜的特點(diǎn)

滲透蒸發(fā)是近十幾年中頗受人們關(guān)注的膜分離技術(shù)。滲透蒸發(fā)是指液體混合物在膜兩側(cè)組分的蒸氣分壓差的推動力下，透過膜并部分蒸發(fā)，從而達(dá)到分離目的的一種膜分離方法?？捎糜趥鹘y(tǒng)分離手段較難處理的恒沸物及近沸點(diǎn)物系的分離。具有一次分離度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點(diǎn)。第68頁/共91頁2011-6-1702011-6-1青島理工大學(xué)70有機(jī)化學(xué)10

滲透蒸發(fā)的實(shí)質(zhì)是利用高分子膜的選擇性透過來分離液體混合物。其原理如圖4—6所示。由高分子膜將裝置分為兩個室，上側(cè)為存放待分離混合物的液相室，下側(cè)是與真空系統(tǒng)相連接或用惰性氣體吹掃的氣相室?；旌衔锿ㄟ^高分子膜的選擇滲透，其中某一組分滲透到膜的另一側(cè)。由于在氣相室中該組分的蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓，因而在膜表面汽化。蒸氣隨后進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，通過液氮將蒸氣冷凝下來即得滲透產(chǎn)物。滲透蒸發(fā)過程的推動力是膜內(nèi)滲透組分的濃度梯度。第69頁/共91頁2011-6-1712011-6-1青島理工大學(xué)71有機(jī)化學(xué)10圖4—6a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第70頁/共91頁2011-6-1722011-6-1青島理工大學(xué)72有機(jī)化學(xué)10圖4—6a滲透蒸發(fā)分離示意圖(惰性氣體吹掃)液相室氣相室膜冷凝器惰性氣體惰性氣體凈化利用 冷凝液第71頁/共91頁2011-6-1732011-6-1青島理工大學(xué)73有機(jī)化學(xué)10

滲透蒸發(fā)操作所采用的膜為致密的高分子膜。描述滲透蒸發(fā)過程的兩個基本參數(shù)是滲透通量J（g/m2.h）和分離系數(shù)α。α的定義為：式中，Y和X分別為滲透產(chǎn)物與原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；下標(biāo)A為優(yōu)先滲透組分，B為后滲透組分。由以上定義可知，α代表了高分子膜的滲透選擇性。

YA/YBXA/XB（4—1）α=第72頁/共91頁2011-6-1742011-6-1青島理工大學(xué)74有機(jī)化學(xué)10

滲透蒸發(fā)膜的性能是由膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)決定的?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)是指制備膜的高分子的種類與分子鏈的空間構(gòu)型；物理結(jié)構(gòu)則是指膜的孔度、孔分布、形狀、結(jié)晶度、交聯(lián)度、分子鏈的取向等，取決于膜的制備過程。衡量滲透蒸發(fā)膜的實(shí)用性有以下四個指標(biāo)：①膜的選擇性（α值）；②膜的滲透通量（J值）；③膜的機(jī)械強(qiáng)度；④膜的穩(wěn)定性（包括耐熱性、耐溶劑性及性能維持性等）。所以在膜的開發(fā)中必須綜合考慮這四個因素。第73頁/共91頁2011-6-1752011-6-1青島理工大學(xué)75有機(jī)化學(xué)102.制備滲透蒸發(fā)膜的材料（1）滲透蒸發(fā)膜材料的選擇 對于滲透蒸發(fā)膜來說，是否具有良好的選擇性是首先要考慮的。基于溶解擴(kuò)散理論，只有對所需要分離的某組分有較好親和性的高分子物質(zhì)才可能作為膜材料。如以透水為目的的滲透蒸發(fā)膜，應(yīng)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；而當(dāng)以透過醇類物質(zhì)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。第74頁/共91頁2011-6-1762011-6-1青島理工大學(xué)76有機(jī)化學(xué)10

對于二元液體混合物，要求膜與每一組分的親和力有較大的差別，這樣才有可能通過傳質(zhì)競爭將二組分分開。滲透過程取決于組分與膜之間的相互作用，這種作用因素可歸納為四個方面：色散力、偶極力、氫鍵和空間位阻。式4—2是基于溶解度參數(shù)的相互作用判據(jù)：ΔδIM=[(δdI－δdM)2+(δpI－δpM)2+(δhI－δhM)2]1/2（4—2）式中：ΔδIM為組分I與膜M間的溶解度參數(shù)差值；δd、δp、δh分別為溶解度參數(shù)的色散力、偶極力與氫鍵的分量。第75頁/共91頁2011-6-1772011-6-1青島理工大學(xué)77有機(jī)化學(xué)10

ΔδIM值越小，表明組分I與膜M間的親和力越大，互溶性也就越大。對于待分離的A、B混合物，ΔδAM/ΔδBM可作為衡量膜的溶解選擇性的尺度，因此可作為膜材料選擇的一個基礎(chǔ)。例如要使A組分透過膜而使B組分滯留，則要選擇一種膜使ΔδAM/ΔδBM最小。 由于用溶解度參數(shù)預(yù)測有機(jī)物之間及有機(jī)物與聚合物之間互溶性本身是一種經(jīng)驗(yàn)方法，因此僅可作為參考。第76頁/共91頁2011-6-1782011-6-1青島理工大學(xué)78有機(jī)化學(xué)10

另外，式4—2未考慮空間位阻的因素，再加上滲透蒸發(fā)的最終結(jié)果還與滲透組分的擴(kuò)散有關(guān)，所以僅以溶解的難易來選擇膜材料的判據(jù)存在一定的缺陷。譬如，如果膜材料與水的作用力太強(qiáng)，可能反而會由于氫鍵作用而束縛水分子使其難以透過。普遍認(rèn)為，對于含水體系，在膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)中保持一種親水與憎水基團(tuán)的適當(dāng)比例是重要的。第77頁/共91頁2011-6-1792011-6-1青島理工大學(xué)79有機(jī)化學(xué)10（2）制備滲透蒸發(fā)膜的主要材料 用于制備滲透蒸發(fā)膜的材料包括天然高分子物質(zhì)和合成高分子物質(zhì)。 天然高分子膜主要包括醋酸纖維素（CA）、羧甲基纖維素（CMC）、膠原、殼聚糖等。這類膜的特點(diǎn)是親水性好，對水的分離系數(shù)高，滲透通量也較大，對分離醇—水溶液很有效。但這類膜的機(jī)械強(qiáng)度較低，往往被水溶液溶脹后失去機(jī)械性能。如羧甲基纖維素是水溶性的，只能分離低濃度的水溶液。采用加入交聯(lián)劑可增強(qiáng)膜的機(jī)械性能，但同時會降低膜性能。第78頁/共91頁2011-6-1802011-6-1青島理工大學(xué)80有機(jī)化學(xué)10

用于制備滲透蒸發(fā)膜的合成高分子材料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PSt）、聚四氟乙烯（PTFE）等非極性材料和聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等極性材料。非極性膜大多被用于分離烴類有機(jī)物，如苯與環(huán)己烷、二甲苯異構(gòu)體，甲苯與庚烷以及甲苯與醇類等，但選擇性一般較低。第79頁/共91頁2011-6-1812011-6-1青島理工大學(xué)81有機(jī)化學(xué)10

極性膜一般用于醇—水混合物的分離。其中聚乙烯醇是最引人注目的一種分離醇—水混合物的膜材料。聚乙烯醇對水有很強(qiáng)的親和力，而對乙醇的溶解度很小，因此有利于對水的選擇吸附。該膜在分離低濃度水—乙醇溶液時有很高的選擇性。但當(dāng)水的濃度大于40％時，膜溶脹加劇，導(dǎo)致選擇性大幅度下降。第80頁/共91頁2011-6-1822011-6-1青島理工大學(xué)82有機(jī)化學(xué)10

聚丙烯腈對水也顯示出很高的選擇性，但滲透通量較小，所以通常被用作復(fù)合膜的多孔支撐層。在工業(yè)發(fā)酵罐得到的是約5％的乙醇—水溶液，這時采用優(yōu)先透醇膜顯然更為經(jīng)濟(jì)實(shí)