高分子功能膜材料

1、第八章 高分子功能膜材料 膜是一種能夠分隔兩相界面，并以特定的形式限制和傳遞各種物質(zhì)的二維材料，在自然界中隨處可見。天然存在的膜有生物膜，膜也可以人工制作，如高分子合成膜。膜可以是均相的，也可以是非均相的；可以是對(duì)稱的，也可以是非對(duì)稱的；可以是固體的，也可以是液體的；可以是中性的，也可以是帶電荷的。膜的厚度可從幾微米到幾毫米不等。隨著科學(xué)的發(fā)展，越來越多的人工合成膜相繼被開發(fā)出來，應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，起到分離和選擇透過等重要作用。高分子功能膜作為人工合成膜中的重要一員，在藥物緩釋、膜修飾電極、氣體分離等領(lǐng)域表現(xiàn)出特殊的分離功能，并因其廣闊的應(yīng)用前景而受到極大的關(guān)注。本章將主要討論高分子功能膜的分

2、離原理，并以主要的分離膜為代表，介紹其制備方法和應(yīng)用。8,1 概述8.1.1 高分子分離膜的分類 高分子分離膜是具有分離功能，即具有特殊傳質(zhì)功能的高分子材料，又稱為高分子功能膜。其形態(tài)有固態(tài)，也有液態(tài)。高分子分離膜的種類和功能繁多，不可能用單一的方法來明確分類，現(xiàn)有的分類既可以從被分離物質(zhì)的角度分，也可以從膜的形狀、材料等角度分，目前主要有以下幾種分類方式。8.1.1.1 按被分離物質(zhì)性質(zhì)分類根據(jù)被分離物質(zhì)的性質(zhì)可以將分離膜分為氣體分離膜、液體分離膜、固體分離膜、離子分離膜和微生物分離膜等。8.1.1.2按膜形態(tài)分類 根據(jù)固態(tài)膜的形狀，可分為平板膜(flat membrane)、管式膜(tub

3、ular membrane)、中空纖維膜(hollow fiber)、毛細(xì)管膜以及具有垂直于膜表面的圓柱形孔的核徑蝕刻膜等。液膜是液體高分子在液體和氣體或液體和液體相界面之間形成的膜。8.1.1.3按膜的材料分類 從膜材料的來源來看，分離膜可以是天然的也可以是合成的，或者是天然物質(zhì)改性或再生的。不同的膜材料具有不同的成膜性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸、耐堿、耐氧化劑和耐微生物侵蝕等，而且膜材料對(duì)被分離介質(zhì)也具有一定的選擇性。這類膜可以進(jìn)一步分為以下幾類。(1) 纖維素衍生物類 纖維素類膜材料是研究最早、應(yīng)用最多的高分子功能膜材料之一主要有再生纖維素、硝酸纖維素、二醋酸纖維素和三醋酸纖維素、乙基纖維素等

4、。(2) 聚烯烴類 聚烯烴及其衍生物是重要的高分子聚合物，很多都可以用于制備氣體分離膜，如低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基-1-戊烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈等。(3) 聚酯類 滌綸、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯這類樹脂強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐熱和耐溶劑性優(yōu)良，被廣泛用于制備分離膜的支撐增強(qiáng)材料。(4) 聚酰（亞）胺類 尼龍-6和尼龍-66是這一類分離膜材料的代表，常用于反滲透膜和氣體分離膜的支撐底布，芳香族聚酰胺是第二代反滲透膜材料，用于中空纖維膜的制備。含氟聚酰亞胺作為具有實(shí)用前景的氣體分離膜材料目前處于開發(fā)階段。用聚酰胺類制備的膜，具有良好的分離與透過性能，且耐高壓、耐

5、高溫、耐溶劑，是制備耐溶劑超濾膜和非水溶液分離膜的首選材料，缺點(diǎn)是耐氯性能較差。(5) 聚砜類 這類材料包括聚砜、聚醚砜、聚芳醚砜、磺化聚砜等，是高機(jī)械強(qiáng)度的工程塑料，具有耐酸、耐堿的優(yōu)點(diǎn)，多用于超濾膜和氣體分離膜的制備，較少用于微濾，可在80下長(zhǎng)期使用，缺點(diǎn)是耐有機(jī)溶劑的性能較差。(6) 含氟聚合物 主要包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等，這類膜材料耐腐蝕性優(yōu)異，適合于電滲析等高腐蝕場(chǎng)所。(7) 其他材料 甲殼素是天然高分子中的一種可以用來制備離子交換膜和螯合膜的材料。有機(jī)硅聚合物和聚醚酮類近年來也開始廣泛用于滲透汽化膜、荷電超濾膜和離子交換膜的制備。8.1.1.4按膜體結(jié)構(gòu)和斷面形態(tài)分類 按膜體

6、結(jié)構(gòu)主要分為致密膜、多孔膜、乳化膜。致密膜又稱為密度膜，通常是指孔徑小于l nm的膜，多用于電滲析、反滲透、氣體分離、滲透汽化等領(lǐng)域；多孔膜可分為微孔膜和大孔膜，主要用于混臺(tái)物水溶液的分離，如滲透、微濾、超濾、納濾和親和膜等。 按膜的結(jié)構(gòu)分類，可以分為對(duì)稱膜(symmetric membrane)和非對(duì)稱膜(asymmetric membrane)。對(duì)稱膜又稱為均質(zhì)膜，是一種均勻的薄膜，膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)及形態(tài)完全相同，包括致密膜和對(duì)稱的多孔膜。非對(duì)稱膜是指膜主體有兩種或兩種以上的形貌結(jié)構(gòu)，是工業(yè)上運(yùn)用最多的分離膜。一體化非對(duì)稱膜是用同種材料制備、厚度為0.10.5納米的致密皮層和50150納米

7、的多孔支撐層構(gòu)成，其支撐層結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度，在較高壓力下液不會(huì)引起很大的形變。在多孔支撐層上覆蓋一層不同材料的致密皮層就構(gòu)成復(fù)合膜。對(duì)于復(fù)合膜，可優(yōu)選不同的膜材料制備致密皮層與多孔支撐層，使每一層獨(dú)立，從而發(fā)揮最大作用。非對(duì)稱膜的分離主要或完全由很薄的皮層決定，傳質(zhì)阻力小，其透過速率較對(duì)稱膜高很多。8.1.1.5 按膜分離過程分類按膜分離過程分類時(shí)，主要參照被分離物質(zhì)的粒度大小及分離過程采用的附加條件，壓力、電場(chǎng)等。可以將膜主要分為以下幾大類 (1)微濾膜 微濾膜(microfiltrtion，MF)具有比較整齊均勻的多孔結(jié)構(gòu)，膜孔徑范圍在0. 0520微米，孔隙率占總體積70%80%，孔密

8、度為107108個(gè)cm2，分離過程主要是機(jī)械過篩作用，操作靜壓差為0. 010. 2MPa。因此，分離阻力小，過濾速度快，主要用于從氣相、懸浮液和乳濃液中截留微米級(jí)或亞微米級(jí)的細(xì)小懸浮物、微生物、細(xì)菌、酵母、微粒等，在無菌液體制備、超純水制備、空氣的過濾以及生物檢測(cè)等方面有廣闊市場(chǎng)。 根據(jù)材料的種類，制備微濾膜的方法主要有相轉(zhuǎn)化法(phase-inversion process)、輻射固化法、溶出法、拉伸法(melt extruded)、燒結(jié)法(sintered process)、核徑跡蝕刻法和陽極氧化法等。 (2)超濾膜 超濾是一種篩孔分離過程，即在一定壓力作用下，對(duì)含有大、小分子溶質(zhì)的溶液

9、使溶劑和小分子溶質(zhì)透過膜，而大分子溶質(zhì)被膜截留，作為濃縮液被回收。超濾膜(uitrafiltration，UF)的過程如圖8-2所示。 超濾膜也屬于多孔膜的一種，膜孔徑范圍為1 nm0. 05微米，孔隙率約60%左右，操作壓力為0.20. 4MPa，膜的逶過速率為0.55m3/m2.d，最適于處理溶液中溶質(zhì)的分離和增濃，或采用其他分離技術(shù)所難以完成的膠狀懸浮液的分離。超濾膜多數(shù)為相轉(zhuǎn)化法制備的非對(duì)稱膜，極薄的表面層具有一定孔徑，起篩分作用；下層是具有海綿狀或指狀的多空層，起支撐作用（見圖8-3）。(3)納濾膜 納濾膜(nanofiltration，NF)一般是指操作壓力1.5MPa、截留相對(duì)分

10、子質(zhì)量2001000、NaCl的截留率90%的膜。納濾膜的孔徑在25nm，介于超濾膜和反滲透膜之間，對(duì)高價(jià)態(tài)離子有較高的截留率。與反滲透相比，達(dá)到相同的滲透量，納濾的操作壓差要低0. 5-3MPa，因此又可稱為低壓反滲透膜或疏松反滲透。納濾膜多數(shù)為聚砜多孔膜作支撐，芳香族聚酰胺膜組成致密表層的三維交聯(lián)復(fù)合膜，其表層較反滲透膜的表層要疏松得多，但比超濾膜的要致密得多。因此，制膜關(guān)鍵是合理調(diào)節(jié)表層的疏松程度，以形成大量具納米級(jí)的表層孔。大部分納濾膜表面帶荷電，其分離行為受到溶質(zhì)荷電狀態(tài)及其相互作用影響。納濾膜在高、低價(jià)態(tài)離子分離方面展現(xiàn)獨(dú)特性能，適用于水的凈化和軟化。(4)反滲透膜 反滲透(rev

11、erse osmosis，RO)膜是在反滲透過程中使用的膜。反滲透又稱為逆滲透，是利用只能透過溶劑（通常是水）的半透膜，以膜兩側(cè)的靜壓差為推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)溶劑從高濃度向低濃度溶液流動(dòng)的分離過程。而滲透是在膜兩側(cè)的靜壓力相等的情況下，溶液在自身化學(xué)位差的作用下自發(fā)地從稀溶液側(cè)通過膜擴(kuò)散到濃溶液中的過程。滲透使得高濃度測(cè)液位上升，達(dá)到平衡時(shí)，膜兩側(cè)的溶液壓力差為兩溶液的滲透壓差當(dāng)對(duì)濃溶液施壓，使得膜兩側(cè)靜壓差大于滲透壓時(shí)，就發(fā)生反滲透現(xiàn)象。反滲透膜多數(shù)為非對(duì)稱膜和復(fù)合膜，支撐層厚度50微米，致密表面分離層只有0.2微米，且?guī)缀鯚o孔，可以截留大多數(shù)0.11nm的溶質(zhì)（包括離子）而使溶劑通過，操作壓力一般

12、為l10MPa。上述幾種不同膜在分離過程中的差異如圖8-5所示，而且由于膜孔徑和孔隙率的差異其相應(yīng)的推動(dòng)力是不同的。(5)透析膜 透析膜是在透析過程中使用的膜，一般是“無孔”的（孔徑Inm以下）。透析(滲析）是指膜兩側(cè)溶液中的小分子溶質(zhì)（一般指中性分子）在自身濃度差的推動(dòng)下由濃的一側(cè)透向稀側(cè)直至平衡，而大分子被半透膜截留的分離過程。為減少擴(kuò)散阻力，膜要高度溶脹，但這會(huì)影響其選擇透過性。透析膜目前主要用于血液透析使用膜材料有再生纖維素、乙烯-乙烯醇共聚物、乙烯-乙酸乙烯酯、聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)、聚苯醚(PPO)等。(6)電滲析 用離子交換膜電滲析(electrodialysis

13、membrance，ED)是指在電場(chǎng)作用下，以電位差為推動(dòng)力，溶液中帶電離子選擇性地透過離子交換膜(ion exchange membrance)實(shí)現(xiàn)遷移的過程，用于溶液淡化、濃縮、精制或純化。電滲析過程中離子的移動(dòng)速率取決于電場(chǎng)強(qiáng)度、離子的電荷密度膜的性質(zhì)以及溶液的阻力等因素。各種帶電和不帶電粒子在電場(chǎng)力和分離膜的雙重作用下進(jìn)行分離。離子交換膜是電滲析的關(guān)鍵部分，是含有活性離子交換基團(tuán)的網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)高分子薄膜，其化學(xué)組成與離子交換樹脂基本相同。離子交換膜外觀要求應(yīng)該平整、光滑、均勻、沒有針孔。它對(duì)帶電被分離物質(zhì)的透過性影響有兩方面：一是膜的結(jié)構(gòu)和孔徑影響所有物質(zhì)的透過，二是膜的帶電性質(zhì)影響帶

14、電離子的透過。 電滲析系統(tǒng)由一系列平行交錯(cuò)排列于兩極之間的陰、陽離子交換膜所組成，這些陰、陽離子交換膜將電滲析系統(tǒng)分隔成若干個(gè)彼此獨(dú)立的小室，其中與陽極相接觸的隔離室稱為陽極室，與陰極相接觸的隔離室稱為陰極室，操作中離子減少的隔離室稱為淡水室，離子增多的隔離室稱為濃水室。如圖8-6所示，在直流電場(chǎng)作用下，帶負(fù)電荷的陰離子即Cl-向正極移動(dòng),但它只能通過陰膜進(jìn)入濃水室，而不能透過陽膜，因而被截留于濃水室中。同理，帶正電荷的陽離子即Na+向負(fù)極移動(dòng)，通過陽膜進(jìn)入濃水室，并在陰膜的阻擋下截留于濃水室中。這樣，濃水室中的NaCl濃度逐漸升高，出水為濃水；而淡水室中的NaCI濃度逐漸下降出水為淡水，從而

15、達(dá)到脫鹽的目的。(7)氣體分離膜 氣體膜介離是指利用氣體混合物中各組分在膜中傳質(zhì)速率的不同使各組分分離的過程，其推動(dòng)力是膜兩側(cè)的壓力差，分離過程是溶解-擴(kuò)散-脫溶。氣體分離膜gas；separation，GS)有兩種類型：非多孔膜（包括均質(zhì)膜、非對(duì)稱膜、復(fù)合膜）和多孔膜非多孔膜往往也有小孔，孔徑是0.5l nm。用于氣體分離的多孔膜孔徑一般在530 nm，屬于微孔膜。 膜的分離能力與氣體的種類和膜孔徑有關(guān)。不同的膜進(jìn)行氣體分離的機(jī)理不同，可以分為基于擴(kuò)散速率的分離和基于溶解度的分離。目前氣體分離膜多用于工業(yè)氣體中氫的回收、氧氮分離、氣體脫濕等 (8)滲透汽化膜 滲透汽化的膜：、(pervapo

16、ration, PVAP)可以分為兩大類：親水膜（優(yōu)先滲透水、甲醇等）和疏水膜（優(yōu)先滲透有機(jī)組分），都是由致密皮層和多孔的亞層構(gòu)成的不對(duì)稱膜和復(fù)合膜為減少蒸汽傳遞阻力并防止毛細(xì)管冷凝，要求亞層結(jié)構(gòu)較為疏松，表面孔隙率高且孔徑分布窄滲透汽化膜多選用聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚醚砜、有機(jī)硅等材料來制備。使用領(lǐng)域包括有機(jī)溶劑脫水、有機(jī)物的分離以及水中有機(jī)物的脫除等。（9）液膜 處在液體與氣體或液體與液體相界面的、具有半透過性的的膜。夜茉莉用選擇透過性原理，以膜兩側(cè)的溶質(zhì)化學(xué)濃度差為傳質(zhì)動(dòng)力，是原料中待分離溶質(zhì)在莫內(nèi)相腹肌濃縮，分離待分離物質(zhì)。液膜基本分為支撐液膜和乳化液膜兩類，如圖8-7所示。

17、支撐液膜采用多孔膜或多孔型固體支撐物做骨架的支撐液體形成膜。乳化液膜是兩種不相混溶液體乳化時(shí)在兩相界面產(chǎn)生的液體膜，乳化液膜通常由膜溶劑、表面活性劑和流動(dòng)載體組成。分離涉及三種液體：通常將含有被分離綴分辨露料液作連續(xù)相，稱為相1；接受被分離組分的液體，稱為相2；成膜的液體處于兩者之間，稱為膜相。在液膜分離過程中，被分離組分從相1進(jìn)入膜相，再轉(zhuǎn)入相2，濃集于相2液膜在烴類混合物分離、廢水處理、鈾礦浸出液中提取鈾以及金屬離子萃取等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。81.2 膜分離原理 分離膜的主要用途是通過膜對(duì)不同物質(zhì)進(jìn)行分離。在膜科學(xué)中，分離膜對(duì)某些物質(zhì)可以透過，而對(duì)另外一些物質(zhì)不能透過或透過性較差的性質(zhì)稱

18、為膜的半透性。由于膜對(duì)不同物質(zhì)的透過性不同以及不同膜對(duì)同一物質(zhì)的透過性不同，可以使混合物中的某些組分選擇性地透過膜以達(dá)到分離、提純、濃縮等目的。在分離過程中，有的物質(zhì)容易透過膜，有的物質(zhì)則較難，其原因是它們與膜的相互作用機(jī)理不同，即膜分離原理不同。膜分離原理一般來說有下面三種，其中主要是篩分作用張溶解擴(kuò)散機(jī)制。8.1.2.1篩分機(jī)制篩分，類似于物理過篩過程，是指膜能夠機(jī)械截留比他孔徑大或孔徑相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)。被分離物質(zhì)能否通過篩網(wǎng)，取決于物質(zhì)的粒徑尺寸（包括長(zhǎng)度。體積、形狀）和孔膜大小，當(dāng)被分離物質(zhì)以分子狀態(tài)分散，分子的大小就是粒子的尺寸；如果以聚集狀態(tài)存在，則粒子的尺寸為劇集態(tài)顆粒的尺寸。此外，物

19、質(zhì)顆粒與膜之間的吸附和電性能、物質(zhì)顆粒自身之間的相互作用等因素對(duì)物質(zhì)的截留也有一定影響。圖8-8示意了微濾膜表面和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對(duì)顆粒的各種截留：機(jī)械截留是由篩分過程決定的，吸附截留是由于物質(zhì)顆粒與膜之間的相互作用產(chǎn)生的；架橋截留則是由物質(zhì)顆粒間的相互作用產(chǎn)生的，或是物質(zhì)顆粒與膜之間以及物質(zhì)顆粒闖共同作用產(chǎn)生的。電鏡觀察證明了膜孔的入口處微粒因?yàn)榧軜蜃饔帽唤亓舻那闆r。除物質(zhì)分子大小以外，分子的結(jié)構(gòu)形狀，剛性等對(duì)截留性能也有影響。當(dāng)分子量一定時(shí)，剛性分子與易變形的分子相比、球形和有側(cè)鏈的分子與線形分子相比有更大的截留率。 一般認(rèn)為，微濾膜和超濾膜的分離機(jī)理為篩分原理，主要依據(jù)膜孔的尺寸和被分離物質(zhì)顆粒

20、的大小進(jìn)行選擇性透過。微濾截留0ll0t微米顆粒，超濾截留分子量范圍為10001000000道爾頓(1道爾頓1原子質(zhì)量單位)。8.1.2.2溶解擴(kuò)散機(jī)制 當(dāng)采用致密膜進(jìn)行分離時(shí)，其傳質(zhì)機(jī)理不同于多孔膜的篩分機(jī)制，而是溶解-擴(kuò)散機(jī)理(solution-diffusion theory)，即滲透物質(zhì)（溶質(zhì)、溶劑）首先經(jīng)吸附溶解進(jìn)入聚合物膜的上游一側(cè)，然后在濃度差或壓力差造成的化學(xué)位差推動(dòng)下以分子擴(kuò)散方式通過膜層，再?gòu)哪は掠我粋?cè)解吸脫落。在溶解擴(kuò)散機(jī)理中，溶解是分離過程的第一步，其速率取決于該溫度下小分子物質(zhì)在膜中的溶解度，服從Herry定律。影響溶解度的主要因素包括被分離物質(zhì)的極性、結(jié)構(gòu)相似酸堿性

21、質(zhì)等。擴(kuò)散是分離過程的第二步，相對(duì)較慢，按照Fick擴(kuò)散定律進(jìn)行，是控制步驟。影響擴(kuò)散過程的因素有被分離物質(zhì)的尺寸、形狀、膜材料的晶態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成等二般認(rèn)為，小分子在聚合物中的擴(kuò)散與高聚物分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)引起的自由體積變化有關(guān)，自由體積愈大擴(kuò)散速率越快，升高溫度可以加快高分子鏈段運(yùn)動(dòng)從而加速擴(kuò)散，但不同小分子的選擇透過性則隨之降低。 反滲透、氣體分離、滲透汽化主要按照這種機(jī)理進(jìn)行膜分離，納濾則介于篩分和溶解擴(kuò)散之間，截留水和非水溶液中不同尺寸的溶質(zhì)分子。8.1.2.3選擇性吸附-毛細(xì)管流動(dòng)理論 當(dāng)膜表面對(duì)被分離混合物中的某一組分的吸附能力較強(qiáng)，則該組分就在膜面上優(yōu)先吸附，形成富集的吸附層，并在

22、壓力下通過膜中的毛細(xì)孔，進(jìn)入到膜的另一側(cè)。與此相反，不容易被吸附的組分將不容易透過分離膜，從而實(shí)現(xiàn)分離。反滲透脫鹽就是以這種機(jī)理實(shí)現(xiàn)鹽和水分離。當(dāng)水溶液與具有毛細(xì)孔的親水膜相互接觸，由于膜的化學(xué)性質(zhì)，使它對(duì)水溶液中的溶質(zhì)具有排斥作用，導(dǎo)致靠近膜表面的濃度梯度急劇下降，在膜的界面上形成一層被膜吸附的純水層。當(dāng)膜孔徑為純水膜厚的2倍時(shí)，這層水在外加壓強(qiáng)的作用下進(jìn)入膜表面的毛細(xì)孔，并通過毛細(xì)孔沆出如圖89所示。81.3 膜分離驅(qū)動(dòng)力 分離過程是混合過程的逆過程，由于混合過程是自發(fā)進(jìn)行的，所以分離過程需要輸入能量，即分離過程需要外加的驅(qū)動(dòng)力。 在天然的膜如生物膜中，物質(zhì)通過膜主要有主動(dòng)傳遞、促進(jìn)傳遞和

23、被動(dòng)傳遞三種方式，其驅(qū)動(dòng)力是不同的。主動(dòng)傳遞意味著物質(zhì)的傳遞方向?yàn)槟婊瘜W(xué)位梯度方向，被傳遞物質(zhì)由低化學(xué)位相被傳遞到高化學(xué)位相，其推動(dòng)力是膜中某種化學(xué)反應(yīng)釋放出的能量。促進(jìn)傳遞是指膜內(nèi)有特定載體，被傳遞的物質(zhì)與載體發(fā)生反應(yīng)，從而由高化學(xué)位相帶人低化學(xué)位相，這種傳遞過程有很高的選擇性。被動(dòng)傳遞則是物質(zhì)由高化學(xué)位一側(cè)向低化學(xué)位一側(cè)傳遞，這兩相間的化學(xué)位差就是膜分離過程的推動(dòng)力。 高分子功能膜分離過程均為被動(dòng)傳遞過程，需要給待分離物質(zhì)施加一定的推動(dòng)力。這種外加驅(qū)動(dòng)力是一種化學(xué)勢(shì)梯度，主要包括壓力梯度、濃度梯度、電勢(shì)梯度或溫度梯度。 (1)壓力差驅(qū)動(dòng)力 當(dāng)膜兩側(cè)施加不同壓力時(shí)，物質(zhì)將會(huì)從高壓的一側(cè)通過膜

24、進(jìn)入低壓端。這種驅(qū)動(dòng)力為壓力差驅(qū)動(dòng)力，是一種外源性驅(qū)動(dòng)力。微濾、超濾、納濾、反滲透等膜過程多采用壓力差驅(qū)動(dòng)力，但不同的膜過程的壓力差各不相同。 對(duì)膜施加壓力可以有兩種方式：一是在原料側(cè)施加正壓，迫使被分離的物質(zhì)向常壓側(cè)移動(dòng)，這種方法稱為正壓分離法；另一種方法是在收料側(cè)進(jìn)行減壓，與處于常壓的另一側(cè)形成壓力差，被分離物質(zhì)向負(fù)壓側(cè)移動(dòng)，這種方法稱為負(fù)壓分離法。(2)濃度差驅(qū)動(dòng)力 物質(zhì)的傳遞大多通過擴(kuò)散而不是對(duì)流實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)濃度不同的液體接觸時(shí)，溶質(zhì)會(huì)從高濃度區(qū)域自發(fā)擴(kuò)散到低濃度區(qū)，其原因是物質(zhì)的布朗熱運(yùn)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)力稱為濃度差驅(qū)動(dòng)力。單位時(shí)間、單位面積上溶質(zhì)或氣體分子的擴(kuò)散速率R與濃度梯度dcdx成正

25、比，如式(8-1)所示R= -Ddc/dx式中，D為擴(kuò)散系數(shù)；dc/dx為濃度梯度；負(fù)號(hào)表示遷移方向與濃度梯度方向相反。擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散物質(zhì)的分子性質(zhì)和擴(kuò)散介質(zhì)有直接關(guān)系。濃度差驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)的膜分離過程，被分離物質(zhì)可以是氣體也可以是液體，如蒸汽滲透、透析、氣體分離（也存在壓力差驅(qū)動(dòng)的方式）、膜接觸器等。在全蒸發(fā)氣體分離和蒸汽滲透過程以及混合氣體分離過程中，推動(dòng)力通常用分壓差或活度差表示。 (3)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力 當(dāng)膜兩側(cè)施加電場(chǎng)，帶電離子或分子將受到電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)，向帶有相反電荷的電極移動(dòng)，并趨向于透過分離膜，這種驅(qū)動(dòng)力稱為電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力的大小除了裝與電場(chǎng)大小和電極形狀有關(guān)外，還與被分離物質(zhì)的荷電

26、狀態(tài)和價(jià)態(tài)有密切關(guān)系。電滲析和離子膜分離過程的主要驅(qū)動(dòng)力為電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。8.1.4 高分子分離膜的性能表征 分離膜是膜分離技術(shù)的關(guān)鍵，在選擇膜產(chǎn)品的時(shí)候一般要根據(jù)膜的物理化學(xué)性能、分離性、透過性、毒性、價(jià)格等因素加以考慮，其中衡量分離膜是否有價(jià)值的兩個(gè)重要指標(biāo)是透過性能和分離性能。8.1.4.1 透過性能透過性能標(biāo)志著膜的分離速度，分離膜的透過性能一般用透過速率J表示，是指單位時(shí)內(nèi)透過單位面積分離膜的物質(zhì)的量。 對(duì)于水溶液體系，又稱透水率或水通量，可由式(8-2)得到。J=V/At式中，J為透過速率；V為透過物的體積或質(zhì)量；A為膜有效面積；t為過濾時(shí)間。對(duì)于氣體分離膜，透過速率用Rp表示，可由式

27、(8-3a)得到式中，Rp為透過速率；D為氣體在膜中的擴(kuò)散系數(shù)；s為氣體在膜中的溶解系數(shù)；d為膜厚度；P1P2為膜兩側(cè)的氣體分壓。 當(dāng)同種氣體透過不同氣體分離膜時(shí)，透過系數(shù)取決于氣體在膜中的擴(kuò)散速率，而同種氣體分離膜對(duì)不同氣體進(jìn)行分離時(shí)，氣體對(duì)膜的溶解系數(shù)決定滲透系數(shù)的大小。而氣體透過系數(shù)P=DS，所以式子可以改寫為對(duì)于液體有相似的公式 膜的透過速率與膜材料的化學(xué)特性和分離膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，隨操作推動(dòng)力的增加而增大，其大小決定分離設(shè)備的選擇和設(shè)計(jì)。影響膜透過性的因素如下。 (1)膜材料的組成和結(jié)構(gòu) 材料組成中的官能團(tuán)，例如-OH、-NH2、-COOH、-CHO等基團(tuán)對(duì)透過性有很大的影響。親水性

28、基團(tuán)的存在能破壞水分子的締合作用，容易使水透過膜；含親水集團(tuán)少的膜，水的透過性差。材料組成的結(jié)構(gòu)如共聚，無論是嵌段、無規(guī)還是接枝共聚物，由于聚合物之間相容性的差異，造成相分離，形成不同微相分離的材料，從而影響被分離物質(zhì)在膜中的擴(kuò)散，影響透過性。 (2)被分離物質(zhì)在膜中的溶解性能 若溶解性能好，則透過性好，這是由膜分離的溶解一擴(kuò)散機(jī)理決定的。當(dāng)被分離物質(zhì)與膜、與溶劑相容性好時(shí)，它在膜和溶劑中均能溶解，不會(huì)殘留在膜內(nèi)。若它在溶液中的溶解性差時(shí)，則被分離物質(zhì)會(huì)殘留在膜內(nèi)。 (3)分離膜的聚集結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)對(duì)于結(jié)晶態(tài)或無定形高分子膜，氣體在無形高分子中擴(kuò)散較快。因?yàn)榻Y(jié)晶高分子間的相互作用強(qiáng)，分子鏈之

29、間的間隙小，氣體擴(kuò)散困難。這可以用高分子的內(nèi)聚能密度來判斷，例如聚丙烯腈內(nèi)聚能密度大，分子排列致密，氣體透過系數(shù)很小。 (4)被透過物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì) 體積較大的，或與高分子膜相互作用力大的物質(zhì)，在膜內(nèi)擴(kuò)散較差，透過性也差。8.1.4.2分離性能 膜的分離性能決定其對(duì)被分離混合物中各組分的選擇透過性。膜的分離能力要適度，因?yàn)槟さ姆蛛x性能和透過性能彼此影響，要提高分離能力，就必須損失一部分透過性。膜的分離性能用選擇性分離系數(shù)表示，它指的是在相同條件下，兩種物質(zhì)的透過量之比。例如，單位時(shí)間內(nèi)A和B物質(zhì)通過單位面積的量分別是QA和QB，選擇透過性則為A/BQAQB 。 針對(duì)不同的分離膜，膜的分離性能

30、主要有以下幾種表示方法。 (1)截留率(R)截留率在反滲透膜對(duì)鹽水溶液的分離中通常采用脫鹽率來表示，其有兩種表示方法，即 Ro（1C3/C1）100% Rr (1C3/C2) 100% (8-6)式中，Ro為膜的表觀截留率；R為膜的實(shí)際截留率；C1為膜高壓側(cè)水溶液中溶質(zhì)的本濃度；C2為膜高壓側(cè)界面上水溶液的溶質(zhì)濃度；C3為膜低壓側(cè)水溶液的溶質(zhì)濃度。100%截留率表示溶質(zhì)全部被膜截留，此為理想的半滲透膜；0截留率則表示全部溶質(zhì)透過膜，無分離作用。通常截留率在0100%之間。(2)截留分子量 截留分子量(molecular weight cut-off)是指能被膜截住的溶質(zhì)中最小溶質(zhì)的分子量。商品

31、化的超濾膜和納濾膜多用截留分子量或相近孔徑的大小來表示其分離性能。確切地說，當(dāng)采用相同分子量的聚乙二醇溶液作評(píng)價(jià)液，測(cè)得截留率在90%以上時(shí)，則可用聚乙二醇的分子量作為該膜的截留分子量；若采用蛋白質(zhì)為評(píng)價(jià)液，截留率要求在95%上。其他可用作基準(zhǔn)物的已知分子量的球形分子有葡萄糖、蔗糖、桿菌肽、胃蛋白酶等。截流分子量與平均孔徑的關(guān)系如表8-2所示 (3)分離系數(shù)()對(duì)于氣體分離膜，其對(duì)混合氣體的分離效果用分離系數(shù)表示，標(biāo)志膜的分離選擇性能。對(duì)于含有A、B組分的混合氣體，其分離系數(shù)A/B定義為：式中，A/B為氣體分離膜的分離系數(shù)；PA、. PB、為AB組分在透過氣中的分壓；PA、PB為A、B組分在原

32、料氣中的分壓。 A/B越大，表明兩組分的透過速率相差越大，膜的選擇性越好；A/B等于1則表明膜沒有分離能力。 (4)選擇透過度和交換容量 交換容量是指每克干膜中所含活性基團(tuán)的毫克數(shù)，單位為mg/g，是電滲析過程中選擇離子交換膜的關(guān)鍵指標(biāo)之一，多數(shù)膜的交換容量為23mg/g。一般來說交換容量大的膜，其選擇透過性好，導(dǎo)電能力強(qiáng)。 離子交換膜對(duì)離子選擇透過性的好壞往往用反離子遷移數(shù)和膜的透過度來表示。膜內(nèi)離子遷移數(shù)是指某種離子在膜內(nèi)的遷移量與全部離子在膜內(nèi)遷移量的比值。例如，在陰離子膜-NaCl溶液體系中膜內(nèi)反離子遷移數(shù)為：式中，QNa+、Qcl-分別為Na+、CI-所負(fù)載的電量；tCI-為反離子遷移數(shù)。 某種離子在膜中的遷移數(shù)也可以用膜電位來表示。被膜隔開的兩電解質(zhì)溶液，其電位不一樣，其電位差稱為膜電位，可以用圖8-10表示。式中，Am為實(shí)際測(cè)定的膜電位；E0m為在測(cè)定Em的條件下理想膜的膜電位，可由能斯特公式計(jì)算得到。膜的選擇透過度Pi定義為i離子在膜中遷移數(shù)的增加值與該離子在理想膜中