功能高分子化學(xué)第三章-離子交換膜及分離膜ppt課件

1、2022-1-261第三章第三章 離子交換膜及分離膜離子交換膜及分離膜2022-1-262第一節(jié)離子交換膜第一節(jié)離子交換膜 1.1 概述概述 五十年代合成離子交換樹脂取得成功之后，五十年代合成離子交換樹脂取得成功之后，就利用粘合劑把離子交換樹脂細(xì)粉粘合起來制成就利用粘合劑把離子交換樹脂細(xì)粉粘合起來制成膜型，從而為制備具有實(shí)用價(jià)值的選擇透過性膜膜型，從而為制備具有實(shí)用價(jià)值的選擇透過性膜提供了條件。由于制膜的主要原料是離子交換樹提供了條件。由于制膜的主要原料是離子交換樹脂，故稱為離子交換（樹脂）膜。脂，故稱為離子交換（樹脂）膜。2022-1-2631.2 膜體結(jié)構(gòu)和分類膜體結(jié)構(gòu)和分類 膜體結(jié)構(gòu)膜體

2、結(jié)構(gòu) 圖例圖例1 R*SO3-H+(Na+)R*N+(CH3)3OH-(Cl-)固定基團(tuán)解離離子固定基團(tuán)解離離子（或稱反離子）（或稱反離子）磺酸型陽離子交換膜季銨型陰離子交換膜*表示大分子結(jié)構(gòu)2022-1-264圖例2 異相離子交換膜體結(jié)構(gòu)示意圖1-粘合劑2-離子交換樹脂粒2022-1-265圖例3SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+ 磺酸型陽離子交換膜的膜體結(jié)構(gòu)示意圖RSO2固定基團(tuán) ；+解離離子2022-1-266圖例4 磺酸型陽離子交換膜曲折通道示意圖RSO2固定基團(tuán) ；+解離離子2022-1-267膜的分類膜的分

3、類 陽離子交換膜有強(qiáng)酸膜，中等酸度膜和弱酸膜三種。 陰離子交換膜有強(qiáng)堿，中等堿和弱堿膜三種。 特殊性能的膜有表面涂層膜，雙極膜，兩性膜及鑲嵌膜。 按用途分類，有電解槽隔膜，電池隔膜，滲透膜，電滲析膜， 人工腎膜及仿生膜等。2022-1-2682.3 離子交換膜的選擇透過現(xiàn)象圖例5半透膜(I)(II)RA-NaRA-Na圖2-6 Na+離子和Cl-離子在半透膜兩側(cè)互相碰撞示意圖剛果紅鈉鹽(I)室剛果紅鈉鹽溶液(II)室NaCl溶液Na+Cl-Cl-Na+Cl-Na+2022-1-269 圖例6苯乙烯-二乙烯基苯共聚物SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-N

4、a+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Cl- 磺酸型陽膜在NaCl稀溶液中平衡示意圖RSO-固定基團(tuán) ； Na+解離子2022-1-2610 圖例7苯乙烯-二乙烯基苯共聚物SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Cl- 磺酸型陽膜在NaCl濃溶液中平衡示意圖RSO3-固定基團(tuán) ； Na+解離子Na+Na+Na+Na+Na+N

5、a+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+2022-1-26112.4 離子交換膜的一般性能和用途離子交換膜的一般性能和用途 離子交換膜的一般性能，常用物理、化學(xué)、電離子交換膜的一般性能，常用物理、化學(xué)、電化學(xué)性能表示：化學(xué)性能表示： 應(yīng)平整，均一，無針孔，并且有一定的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性。應(yīng)平整，均一，無針孔，并且有一定的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性。 應(yīng)具有必要的選擇透過性，這就要求有較高的交換容量。應(yīng)具有必要的選擇透過性，這就要求有較高的交換容量。 應(yīng)具有較高的導(dǎo)電性能，特別是應(yīng)用在傳導(dǎo)電流的設(shè)備中。應(yīng)具有較高的導(dǎo)電性能，特別是應(yīng)用在傳導(dǎo)電流的設(shè)備中。 應(yīng)具有較好的形態(tài)穩(wěn)定性

6、，故膜的溶脹度不應(yīng)太大。應(yīng)具有較好的形態(tài)穩(wěn)定性，故膜的溶脹度不應(yīng)太大。 應(yīng)具有耐高溫，抗氧化，抗酸（或堿）腐蝕及耐有機(jī)溶劑等性能。應(yīng)具有耐高溫，抗氧化，抗酸（或堿）腐蝕及耐有機(jī)溶劑等性能。 離子交換膜在各個(gè)方面的應(yīng)用離子交換膜在各個(gè)方面的應(yīng)用 脫鹽或純化脫鹽或純化 濃縮或分離濃縮或分離 置換置換 水解水解 復(fù)分解復(fù)分解 電解、氧化、還原以及電化合成電解、氧化、還原以及電化合成2022-1-26122022-1-2613電滲析器，異相離子交換膜離子交換膜 引自百度2022-1-2614電解食鹽水裝置引自百度2022-1-2615管狀離子交換膜管狀離子交換膜 引自百度2022-1-2616質(zhì)子交換

7、膜燃料電池工作原理 引自百度2022-1-2617引自百度2022-1-2618第二節(jié)第二節(jié) 高分子分離膜高分子分離膜2.1 概述概述2.1.1 分離膜與膜分離技術(shù)的概念分離膜與膜分離技術(shù)的概念 分離膜是指能以特定形式限制和傳遞流體物質(zhì)分離膜是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。的分隔兩相或兩部分的界面。膜的形式可以是固態(tài)膜的形式可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。被膜分割的流體物質(zhì)可以是的，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。膜至少具有兩個(gè)界面，液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的。膜至少具有兩個(gè)界面，膜通過這兩個(gè)界面與被分割的兩側(cè)流體接觸并進(jìn)行膜通過這兩個(gè)界面

8、與被分割的兩側(cè)流體接觸并進(jìn)行傳遞。分離膜對(duì)流體可以是完全透過性的，也可以傳遞。分離膜對(duì)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。是半透過性的，但不能是完全不透過性的。膜在生膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱為膜技術(shù)。產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱為膜技術(shù)。2022-1-2619 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和人類對(duì)物質(zhì)利用廣隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和人類對(duì)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。種物質(zhì)的分離

9、；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、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。過濾、蒸餾、蒸發(fā)、重結(jié)晶、萃取、離心分離等。然而，對(duì)于高層次的分離，如分子尺寸的分離、生然而，對(duì)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(shí)物體組分的分離等，采用常規(guī)的分離方法是難以實(shí)現(xiàn)的，或達(dá)不到精度，或需要損耗極大的能源而無現(xiàn)的，或達(dá)不到精度，或需要損耗極大的能源而無實(shí)用價(jià)值。實(shí)用價(jià)值。2022-1-2620 具有選擇分離功能的高分子材料的出現(xiàn)，使上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

10、解。膜分離過程的主要特點(diǎn)是述的分離問題迎刃而解。膜分離過程的主要特點(diǎn)是以具有選擇透過性的膜作為分離的手段，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)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。膜分離過程分子尺寸的分離和混合物組分的分離。膜分離過程的推動(dòng)力有濃度差、壓力差和電位差等。膜分離過的推動(dòng)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：程可概述為以下三種形式： 滲析式膜分離滲析式膜分離 料液中的某些溶質(zhì)或離子在濃度差、電位差的料液中的某些溶質(zhì)或離子在濃度差、電位差的推動(dòng)下，透過膜進(jìn)入接受液中，從而被分離出去。推動(dòng)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

11、析和電滲析等；屬于滲析式膜分離的有滲析和電滲析等； 2022-1-2621 過濾式膜分離過濾式膜分離 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；離的有超濾、微濾、反滲透和氣體滲透等； 液膜分離液膜分離 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)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)入接從料液進(jìn)入液膜相當(dāng)于萃

12、取，溶質(zhì)再從液膜進(jìn)入接受液相當(dāng)于反萃取。受液相當(dāng)于反萃取。 2022-1-2622 膜分離技術(shù)是利用膜對(duì)混合物中各組分的選擇膜分離技術(shù)是利用膜對(duì)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、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)用中生物物質(zhì)組分等混合物的分離，因而在某些應(yīng)用中

13、能代替蒸餾、萃取、蒸發(fā)、吸附等化工單元操作。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(shí)，膜分離作為一種分離技術(shù)往往是非常好的分離時(shí)，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)。起來使用，使技術(shù)投資更為經(jīng)濟(jì)。2022-1-2623 膜分離過程沒有相的變化膜分離過程沒有相的變化(滲透蒸發(fā)膜除外滲透蒸發(fā)膜除外)，常溫下即可操作；由于避免了高溫操作，所濃縮常溫下即可操作；由于避免了高溫操作，所濃縮和

14、富集物質(zhì)的性質(zhì)不容易發(fā)生變化，因此在膜分和富集物質(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)；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(duì)無機(jī)物、有機(jī)物膜分離裝置簡單、操作容易，對(duì)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)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

15、越廣泛地應(yīng)用于化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、電子、化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、電子、電力、冶金、輕紡、海水淡化電力、冶金、輕紡、海水淡化等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。2022-1-26242.1.2 膜分離技術(shù)發(fā)展簡史膜分離技術(shù)發(fā)展簡史 高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，年，耐克特（耐克特（A. Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。1861年，施年，施密特（密特（A. Schmidt）首先提出了超過濾的概念。他）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

16、濾提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾 時(shí)，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，時(shí)，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，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?，F(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過濾應(yīng)稱為微孔過濾。 2022-1-2625 然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)世紀(jì)60年年 代。代。1961年，年，米切利斯米切利斯（A. S. Michealis）等人用）等人用各種比例的酸

17、性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水丙酮丙酮溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，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。這種膜是真正的超過濾膜。美國美國Amicon公司公司首先將首先將這種膜商品化。這種膜商品化。50年代初，為從海水或苦咸水中獲年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。取淡水，開始了反滲透膜的研究。1967年，年，Du Pont公司公司研制成功了以尼龍研制成功了以尼龍66為主要組分的中空纖維反為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥丹麥DDS公司公司研制成功平板

18、研制成功平板式 反 滲 透 膜 組 件 。 反 滲 透 膜 開 始 工 業(yè) 化 。式 反 滲 透 膜 組 件 。 反 滲 透 膜 開 始 工 業(yè) 化 。2022-1-2626 自上世紀(jì)自上世紀(jì)60年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)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)的分離膜是現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（簡稱超過濾膜（簡稱UF 膜）、微孔過濾膜（簡稱膜）、微孔過濾膜（簡稱 MF 膜）和反滲透膜膜）和反滲透膜（簡稱（簡稱RO膜）膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。膜。 在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也在此期間，除上述三大膜外，其他類

19、型的膜也獲得很大的發(fā)展。獲得很大的發(fā)展。80年代年代氣體分離膜氣體分離膜的研制成功，的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)使功能膜的地位又得到了進(jìn)步提高。步提高。2022-1-2627 具有分離選擇性的人造液膜是具有分離選擇性的人造液膜是馬丁馬丁（Martin）在在60年代初研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋年代初研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。在固體膜之上的，為支撐液膜。60年代中期，美籍年代中期，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成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜

20、支撐的新型液膜，并于膜，并于1968年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。70年年代初，代初，卡斯勒卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動(dòng)載體）又研制成功含流動(dòng)載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。 由于膜分離技術(shù)具有高效、節(jié)能、高選擇、多由于膜分離技術(shù)具有高效、節(jié)能、高選擇、多功能等特點(diǎn)，分離膜已成為上一世紀(jì)以來發(fā)展極為功能等特點(diǎn)，分離膜已成為上一世紀(jì)以來發(fā)展極為迅速的一種功能性高分子。迅速的一種功能性高分子。2022-1-26282.1.3 功能膜的分類功能膜的分類1. 按膜的材料分類按膜的材料分類 表表41 膜材料的分類膜

21、材料的分類類類 別別膜材料膜材料舉舉 例例纖維素酯類纖維素酯類纖維素衍生物類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類非纖維素酯類聚砜類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰(亞亞)胺類胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟含氟(硅硅)類類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等殼聚糖，聚電解質(zhì)

22、等2022-1-26292. 按膜的分離原理及適用范圍分類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(dòng)力的不同，可將根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力的不同，可將其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲其分為微孔膜、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。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，可將其分為根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對(duì)稱膜，不對(duì)稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中對(duì)稱膜，不對(duì)稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中空纖維膜等?？绽w維膜等。2022-1-26304. 按功能分類按

23、功能分類 日本著名高分子學(xué)者清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃槿毡局叻肿訉W(xué)者清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃榉蛛x功能膜分離功能膜（包括氣體分離膜、液體分離膜、離子（包括氣體分離膜、液體分離膜、離子交換膜、化學(xué)功能膜）、交換膜、化學(xué)功能膜）、能量轉(zhuǎn)化功能膜能量轉(zhuǎn)化功能膜（包括濃（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）、轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜）、生物功能膜生物功能膜（包括探感膜、生（包括探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜）等。物反應(yīng)器、醫(yī)用膜）等。2022-1-26312.1.4 膜分離過程的類型膜分離過程的類型 分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透分離膜的

24、基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子等?；蛘呋蜉斔吞囟ǖ奈镔|(zhì)，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過實(shí)現(xiàn)的。幾說，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表所示。種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表所示。2022-1-2632 幾種主要分離膜的分離過程幾種主要分離膜的分離過程膜過程膜過程推動(dòng)力推動(dòng)力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型微濾微濾壓力差壓力差顆粒大小形狀顆粒大小形狀水、溶劑溶解物水、溶劑溶解物懸浮物顆粒懸浮物顆粒纖維多孔膜纖維多孔膜超濾超濾壓力差壓力差分子特性大小形狀分子特性大小形

25、狀水、溶劑小分子水、溶劑小分子膠體和超過膠體和超過截留分子量截留分子量的分子的分子非對(duì)稱性膜非對(duì)稱性膜納濾納濾壓力差壓力差離子大小及電荷離子大小及電荷水、一價(jià)離子、水、一價(jià)離子、多價(jià)離子多價(jià)離子有機(jī)物有機(jī)物復(fù)合膜復(fù)合膜反滲透反滲透壓力差壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑水、溶劑溶質(zhì)、鹽溶質(zhì)、鹽非對(duì)稱性膜復(fù)非對(duì)稱性膜復(fù)合膜合膜2022-1-2633膜過程膜過程推動(dòng)力推動(dòng)力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型滲析滲析濃度差濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞低分子量物、離子低分子量物、離子溶劑溶劑非對(duì)稱性膜非對(duì)稱性膜電滲析電滲析電位差電位差電解質(zhì)離子的電解質(zhì)離子的選擇傳遞選擇

26、傳遞電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)大分子物質(zhì)離子交換膜離子交換膜氣體分氣體分離離壓力差壓力差氣體和蒸汽的氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽氣體或蒸汽難滲透性氣難滲透性氣體或蒸汽體或蒸汽均相膜、復(fù)均相膜、復(fù)合合膜，非對(duì)稱膜，非對(duì)稱膜膜滲透蒸滲透蒸發(fā)發(fā)壓力差壓力差選擇傳遞選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶難滲透性溶質(zhì)或溶劑質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)均相膜、復(fù)合合膜，非對(duì)稱膜，非對(duì)稱膜膜液膜分液膜分離離濃度差濃度差反應(yīng)促進(jìn)和反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)雜質(zhì)溶劑溶劑乳狀液膜、乳狀液膜、支支撐液膜撐液膜續(xù)上表續(xù)上表2022-1-26342.2 膜材料及膜的制備膜材料及膜的制

27、備2.2.1 膜材料膜材料 用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合成的成的有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料和和無機(jī)材料無機(jī)材料。 原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。的制備技術(shù)。 2022-1-2635 目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：目前，

28、實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料維素酯類、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從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類膜占以日本為例，纖維素酯類膜占 53，聚砜膜，聚砜膜占占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其他材料的，其他材料的膜占膜占2，可見纖維素酯類材料在膜材料中占，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。主要地位。2022-1-26361. 纖維素酯類膜材料纖維素酯類膜材料 纖維素是由幾千個(gè)纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的

29、葡萄糖基通過椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1, 4甙鏈甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：其結(jié)構(gòu)式為：OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_222022-1-2637 從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能在催化劑（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。素或三醋酸纖維

30、素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH2022-1-2638 醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。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維素的混合物來

31、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、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。醋酸丁酸纖維素也是很好的膜材料。 纖維素醋類材料易受微生物侵蝕，纖維素醋類材料易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)范值適應(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。此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。2022-1-26392. 非纖維素酯類膜材料非纖維素酯類膜材料（1）非纖維素酯類膜材料的基本特性）非纖維素酯類膜材料的基本特性 分子鏈中含有親水性的極性基團(tuán)；分子

32、鏈中含有親水性的極性基團(tuán)； 主鏈上應(yīng)有苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團(tuán)，使之有主鏈上應(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；高的抗壓密性和耐熱性； 化學(xué)穩(wěn)定性好；化學(xué)穩(wěn)定性好； 具有可溶性；具有可溶性； 常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚砜、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。聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。2022-1-2640（2）主要的非纖維素酯類膜材料）主要的非纖維素酯類膜材料 （i）聚砜類）聚砜類 聚砜結(jié)構(gòu)中的特征基團(tuán)為聚砜結(jié)構(gòu)中的特征基團(tuán)為 ，為了引入親水，為了引入親水基團(tuán)，常將粉狀聚砜懸浮于有機(jī)溶劑中，用氯磺酸基團(tuán)，常將粉狀聚砜

33、懸浮于有機(jī)溶劑中，用氯磺酸進(jìn)行磺化。進(jìn)行磺化。 聚砜類樹脂常用的制膜溶劑有：二甲基甲酰胺、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、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜等。甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜等。SOO2022-1-2641 聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定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，性，強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為值適應(yīng)范圍為113，最高使，最高使用溫度達(dá)用溫度達(dá)120，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。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，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：目前的代

34、表品種有：2022-1-2642OCCH3CH3OS聚 砜聚 芳 砜聚 醚 砜聚苯醚砜OOnOnSOOSOOOnSOOOnSOOO2022-1-2643 （ii）聚酰胺類）聚酰胺類 早期使用的聚酰胺是早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如尼龍，如尼龍 6、尼龍、尼龍66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對(duì)等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對(duì)鹽水的分離率在鹽水的分離率在8090之間，但透水率很低，之間，但透水率很低，僅僅0.076 ml/cm2h。以后發(fā)展了。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，用它們制成的分離膜，pH適用范圍為適用范圍為311，分，分離率可達(dá)離率可達(dá)99.5（對(duì)

35、鹽水），透水速率為（對(duì)鹽水），透水速率為0.6 ml/cm2h。長期使用穩(wěn)定性好。由于。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對(duì)水中的游離氯有較高要求與氯反應(yīng)，故這種膜對(duì)水中的游離氯有較高要求。2022-1-2644 Du Pont公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的DPI型膜型膜即為由此類膜材即為由此類膜材料制成的，它的合成路線如下式所示：料制成的，它的合成路線如下式所示：H2NnCONHNH2Cl+nCOCClNHCONHNHCCnDMACOOO2022-1-2645 類似結(jié)構(gòu)的芳香族聚酰胺膜材料還有：類似結(jié)構(gòu)的芳香族聚酰胺膜材料還有：NHCONHNHCOnNHCONHNHCONHCOCOn2022-1-2646 （iii）芳香雜環(huán)類）芳香雜環(huán)類 聚苯并咪唑類聚苯并咪唑類 如由如由美國美國Celanese公司研制的公司研制的PBI膜膜即為此種即為此種類型。這種膜材料可用以下路線合成：類型。這種膜材料可用以下路線合成：NH2H2NNH2H2N+nOCOCOONNCHNNCH+2 nOH+2 n H2On2022-1-2647 聚苯并咪唑酮類聚苯并咪唑酮類 這類膜的代表是日本帝人公司生產(chǎn)的這類膜的代表是日本帝人公司生產(chǎn)的PBL