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文檔簡介
1、第八章高分子功能膜材料,膜科學是一門新興學科,研究的內容包括膜的化學組成、形態(tài)結構、構效關系、膜的形成方法、加工技術工藝、膜分離機制以及應用開發(fā)等諸多方向。同時膜科學也是一種交叉學科,采用了大量化學、物理、力學、電學、光學和醫(yī)學等領域的研究成果,這些成果給膜科學的發(fā)展提供了強大的推動力。,膜是一種二維材料,廣泛存在于自然界中,它具有分隔、分離和選擇性透過的功能。 幾種單質混合形成混合物的過程,是熵降低的過程,一般不需要能量。相反,從混合物分離出各個組分,例如,從乙醇和水的混合溶液中,分離出乙醇和水,需要蒸餾分離;對固液分離,需要濃縮。這些均涉及相變,需消耗能量。 膜分離過程是一種不涉及相變、新
2、型的節(jié)能分離方法。其驅動力為壓力、電場。為了加速傳質過程,有時需要加熱,總的來說,能量消耗較低。,膜分離原理 被分離物質從膜的一側,克服膜的阻力,透過膜,擴散到膜的另一側。有的物質容易透過膜,有的物質則較困難。膜的這種分離機理,目前大致可為: (1)機械過濾作用。分離膜上有孔,其孔徑大小和孔尺寸的分布,決定了它的分離功能。被分離物質尺寸大于孔徑的,則難以通過膜。所以被分離物質能否通過膜,還取決于被分離物質的尺寸,包括長度、體積和形狀。,(2)溶解擴散作用。當某一種物質在膜材料中具有一定的溶解度時,在驅動力的作用下,溶解的物質能夠在膜中擴散運動,從膜的一側擴散到另一側,再從膜擴散到另一側的溶液中
3、。 (3)物質交換作用。被分離的物質與膜上的某一物質交換,例如Na+與陽離子交換膜上H+發(fā)生交換,然后從膜的另一側擴散到溶液中。,高分子功能膜材料分類,Contents,一、高分子分離膜的分類,1. 按來源,1根據(jù)被分離物質性質不同分類 (1)氣體分離膜,用于混合氣體的分離。 (2)液體分離膜,用于液體物質的分離。 (3)離子分離膜,用于離子的分離。例如,用于海水、苦水純化用的離子交膜。 (4)微生物分離膜,用于微生物的分離。例如,除去水中細菌用膜。,2根據(jù)被分離物質粒子大小分類,被分離粒子的大小,可使用孔徑大小不同的膜。根據(jù)膜上的孔徑大小,可分為 超細濾膜(hypenfiltration m
4、embrane,HFM), 超濾膜(ultrafiltration membrane,UFM); 微濾膜(microfitration membrane,MFM),3根據(jù)膜的形成過程分類,根據(jù)制備膜的方法和膜的形成過程,可以將膜分為, 沉淀膜(deposited film) 熔融拉伸膜(melt-extruded film)、 溶劑注膜(solventcast film)、 界面膜(interface film)、 動態(tài)形成膜(dynamically formed membrane)。,4根據(jù)膜性質不同分類,密度膜(dense membrane),是指膜上幾乎不存在人為的微孔。 相變形成膜(p
5、hase-inversion membrane),是采用相變方法制成的膜。 乳化膜(emulsion-type membrane)。在界面膜的是乳化膜。 多孔膜(porous membrane),是指具有孔結構的高分子分離膜。,5從膜的宏觀外形分類 (1)管狀膜 (2)中空纖維 外徑在50300um之間,壁厚在20um左右 (3)平面型分離膜,膜分離過程與機制,膜分離過程與機制 作為分離用膜,兩個最重要的指標是膜的透過性和選擇性。 透過性是指測定物質單位時間透過單位面積分離膜的絕對量 選擇性是指在同等條件下測定物質透過量與參考物質透過量之比。 前者標志著膜分離速度,后者標志膜分離質量。,膜分離
6、機制 (1)過篩分離機制 (2)溶解擴散機制 (3)選擇性吸附機制,2膜分離過程的驅動力,(1)濃度差驅動力 (2)壓力差驅動力 (3)電場驅動力 (4)化學勢驅動力,高分子分離膜制備材料和制備方法,高分子分離膜制備材料,(1)天然高分子材料類 改性纖維素及其衍生物類 (2)聚烯烴類 包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺等。疏水性強,耐熱性較差,主要用于制備微濾超濾、密度膜等。 (3)聚酰胺類 包括尼龍66、聚酰亞胺等,突出特點是機械強度高、化學穩(wěn)定性好,特別是高溫性能優(yōu)良,適合制作需要高機械強度場合的分離膜。,(4)聚砜類 具有耐熱性、疏水性、耐腐蝕性,以及良好的機械強度,適合
7、制作超濾、微濾和氣體分離膜,井用于制作復合膜的底膜 (5)含氟高分子材料 包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、Nafion等其突出特點是耐腐蝕性能突出,適合用于電解等高腐蝕場合的膜材料。 (6)有機硅聚合物類 具有耐熱、抗氧化、耐酸堿等性質,是一種新型分離膜制備材料。 (7)高分子電解質類 主要是全氟取代的磺酸樹脂和全氟羧酸樹脂。是制備離子交換分離膜的主要材料,適合在高腐蝕環(huán)境下使用,特別是氯堿工業(yè)中的膜法工藝路線,高分子功能膜的制備方法 膜制備原料的合成、成膜工藝和膜功能的形成三部分, 其中原料的合成屬于化學過程,成膜工藝和膜功能形成屬于物理過程或物理化學過程。從總體上來講,除使用單體進行原位聚合直
8、接形成功能膜外,膜的制作工藝包括聚合物合成,聚合物溶液(或熔體)制備,膜成型和膜的功能化幾個具體步驟。,高分子分離膜的制備 密度膜 聚合物溶液注膜成型 熔融拉伸成膜 直接聚合成膜,聚合物溶液的制備,高分子分離膜的制備 多孔膜 相轉移法 干法成膜 濕法成膜 熱法相變成膜 聚合物輔助相轉變 粉末燒結法 拉伸致孔法 離子交換膜 異相,均相,復合,描述分離膜特性的物理量 透過性是指單位時間內,被分離物質通過單位面積膜的量。例如氣體,它在單位時間內通過單位面積的速率為 式中,D和s分別為氣體在膜中的擴散系數(shù)和溶解系數(shù);d為膜厚;P1,P2:分別為膜兩側的氣體壓力。,影響膜透過性的因素: (1)高分子材料
9、的組成和結構。 (2)被分離物質在高分子膜的溶解性能 (3)分離膜的聚集態(tài)結構和超分子結構 (4)被透過物質的物理化學性質。,選擇性分離系數(shù),是指在相同條件下,兩種物質的透過量之比。例如單位時間內,A和B物質通過單位面積的量分別為QA和QB,透過選擇性則為。,影響滲透選擇性系數(shù)的因素,(1)聚合物的化學性質和官能團 (2)聚合物與被分離物質的相互作用力 (3)高分子材料的聚集態(tài)結構 (4)膜的孔大小和分布決定了通過膜的分子大小,膜電位,被膜隔開的兩電解質溶液,其電位是不一樣的,其電位差稱為膜電位。 形成的原因是,在濃度差擴散力的驅動下,起初少量的陰或陽離子通過膜遷移到另一側的溶液中,造成膜兩側
10、溶液間存在電位差,它阻止離子進一步遷移。電位差的 大小與離子的性質,膜的特性、厚度、橫截面積有關。與膜的形狀無關,反滲透壓,當某一種高分子分離膜把含有相同溶質分子的濃溶液和稀溶液隔開,溶質分子不能通過膜時,溶劑分子將從稀溶液向濃溶液擴散。其擴散力與兩溶液之間的濃度差成正比。滲透未開始前,兩毛細管的液面高度是一樣的。滲透壓使?jié)馊芤阂贿叺拿毠芤好嫔仙钡絻梢好娌钚纬傻撵o壓與滲透壓平衡為止。這時,兩毛細管的液面差,稱之為反滲透壓,產生反滲進壓的原因,處于稀、濃溶液的膜溶脹程度不一樣,在稀溶液一側的膜溶脹大,產生的溶脹壓大;處于濃溶液一側的膜溶脹小,溶脹壓小。溶脹壓差將溶劑分子推向濃溶液,產生負反滲透壓。另一方面,理論上,反滲透壓膜不能透過溶質分子。少量的陽、陰離子在膜中擴散是不可避免的。當它們在膜中遷移時,陽、陰離子遷移速度相差很大時,就會形成擴散電位。如果陽離子擴散快,會推動膜中帶電的水化陰離子向濃溶液擴散,形成正反滲透壓;若陰離子遷移速度快,電場造成相反的效應,把孔中的液體拉向稀溶液,則產生了負反滲透壓。,高分子分離膜的應用氯堿工業(yè)中,工業(yè)中脫檸檬酸,光學高分子膜,高分子氣體分離膜,O2/N2分離 氣體分離膜,水資源的再利用 有機液混合體系的分離 苯與環(huán)己烷混合物的分離 環(huán)己酮/環(huán)己醇/環(huán)己烷混合物的分離,高分子Lan
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