高分子分離膜的應(yīng)用及發(fā)展綜述

1、高分子分離膜的應(yīng)用及發(fā)展綜述江蘇技術(shù)師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院09應(yīng)化2Z摘要：高分子分離膜是用高分子材料制成的，具有選擇性透過功能的半透性薄膜。本文介紹高分子分離膜的主要材料、分類以及高分子分離膜在日常生活中的廣泛應(yīng)用，并且論述了高分子分離膜的發(fā)展歷程以及發(fā)展前景等。關(guān)鍵詞：高分子離子膜高分子分離膜概述高分子分離膜（polymericmembraneforseparation）,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。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(dòng)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(dá)到分離、精制、濃縮及

2、回收利用的目的7。單位時(shí)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(biāo)。采用這樣的半透性薄膜，以壓力差、溫度梯度、濃度梯度或電位差為動(dòng)力，使氣體混合物、液體混合物或有機(jī)物、無(wú)機(jī)物的溶液等分離技術(shù)相比，具有省能、高效和潔凈等特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是支撐新技術(shù)革命的重大技術(shù)。高分子分離膜主要材料及制備最初用作分離膜的高分子材料是纖維素酯類材料。后來，又逐漸采用了具有各種不同特性的聚碉、聚苯醴、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯月青、聚乙烯醇、聚苯并咪哇、聚酰亞胺等。高分子共混物和嵌段、接枝共聚物也越來越多地被用于制分離膜，使其具有單一均聚

3、物所沒有的特性。1 .二氧化碳回收膜：是日本工業(yè)技術(shù)化學(xué)研究所新發(fā)明的一種環(huán)境保護(hù)膜，它是用聚醴研合成的一種瓊脂凝膠狀薄膜。這種高分子膜可以分離和回收工廠或火力發(fā)電廠排放的二氧化碳，其效率達(dá)到世界先進(jìn)水平。2 .廢水凈化膜：瑞典發(fā)明。它主要是依靠一個(gè)命名為“Antric”的廢水處理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是塔狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)它作用于廢水上時(shí)，可以使廢水中的有機(jī)物去除，同時(shí)產(chǎn)生一種含硫氣體。這種氣體在經(jīng)過清潔器凈化，即可以分離出硫元素而廢水災(zāi)已變得澄清無(wú)毒。3 .診測(cè)癌患膜：日本醫(yī)學(xué)家將蠶絲溶解、干燥成一種超純絲素膜，附上與抗原反應(yīng)的單克隆抗體后，即可用來診斷癌癥。由于它可使抗體固化在素膜上，加入血液與過氧化酶

4、的抗體后，通過用裝有載電極的免疫傳感器測(cè)定所釋放的氧氣的數(shù)量，即可診斷是否患癌癥。4 .除臭生化膜：可除去70%90%J抓硫醇、硫化氫等惡臭。同時(shí)還可除去體臭及衛(wèi)生間、廚房、飼養(yǎng)場(chǎng)和醫(yī)院等場(chǎng)所的臭味。5 .食品空氣保鮮膜：可以保鮮食品。6 .超銅電導(dǎo)膜：非常易于導(dǎo)電。7 .無(wú)電阻耐蝕膜：耐腐蝕的一種高性能氛基陰離子交換膜，把氛基陽(yáng)離子交換膜改變?yōu)榫哂嘘庪x子型陰離子交換基極性開關(guān)的一種膜?？梢杂脕碇圃旄鞣N高性能電池以及高溫電滲析的隔膜等。8 .其他高分子膜材料：亞穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)膜，超薄絕緣膜，節(jié)能增光膜等等。制備高分子分離膜的方法有流延法、不良溶劑凝膠法、微粉燒結(jié)法、直接聚合法、表面涂覆法、控制拉伸法

5、、輻射化學(xué)侵蝕法和中空纖維紡絲法等。高分子分離膜分類目前，高分子膜材料的種類繁多，而且分類方法也不相同：1 .按膜的材料分按置備膜的材料種類來分，可將高分子分離膜分為纖維樹脂類和非纖維樹脂類1。2 .按膜的分離原理及適用范圍分根據(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9、超過濾膜、反滲透膜、納過濾膜10、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜8等。3 .按膜斷面的物理形態(tài)分根據(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、中空纖維膜。4 .按功能分類按高分子膜的功能分類可分為離子膜（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（包括濃差量

6、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。下面介紹兩類比較先進(jìn)的高分子膜材料技術(shù)。1 .膜分離技術(shù)目前膜分離技術(shù)在許多方面得到了廣泛應(yīng)用，而且在某些方面還應(yīng)用得比較成熟12o與傳統(tǒng)分離方法（蒸發(fā)、萃取或離子交換等）相比，它是在常溫下操作，最適宜對(duì)熱敏性物質(zhì)和生物活性物質(zhì)進(jìn)行分離與濃縮，因而在化工、輕工、電子、紡織、冶金、污水處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在膜技術(shù)的發(fā)展中，膜材料的開發(fā)是極其重要的工作，而高分子材料在膜分離中占有重要地位，所以許多專家學(xué)者對(duì)高分子分離膜材料的制備、結(jié)構(gòu)、改性及性能都進(jìn)行了大量研究，而且取得了很多成果，改性及性

7、能都進(jìn)行了大量研究，而且取得了很多成果，在此對(duì)高分子材料制備膜及其改性的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。2 .氣體膜分離法氣體膜分離法5是一項(xiàng)新型分離技術(shù)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域發(fā)揮了重大的作用。與傳統(tǒng)分離方法如低溫蒸儲(chǔ)法和深冷吸附法相比，它具有分離效率高、設(shè)備緊湊、占地面積小、能耗較低、操作簡(jiǎn)便、維修保易、投資較少等優(yōu)點(diǎn)，因此顯示出優(yōu)良的應(yīng)用前景。其中氣體膜分離法在分離CO2/CH4勺領(lǐng)域。高分子分離膜的應(yīng)用1 .氣體膜分離法的應(yīng)用（1）石油采集中由于壓力不斷下降，為了提高出率，采取了注入惰性氣（CO2的強(qiáng)化采油技術(shù)（EOR。11被采集的石油及姓:類氣體中含有大量的CO2如果將其直接排放到大氣中，必然會(huì)導(dǎo)致空氣中

8、CO治量的快速增加，從而使全球變暖的環(huán)境問題加劇，因此CO2的分離和回收顯得非常必要。（2）天然氣中含有大量的酸氣（如CO鄭）和水蒸氣，去除其中的酸氣可以提高天然氣的熱值，減少管道腐蝕。由于天然氣一般都處于高壓狀態(tài)，采用膜分離法可節(jié)省動(dòng)力，因而吸引了許多研究者從事該過程的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，特別是膜技術(shù)與吸收法耦合工藝具有非常大的優(yōu)勢(shì)4o(3)生物氣一般含有50%-70刈烷氣，且來源于垃圾填平地帶，如開發(fā)出來則會(huì)對(duì)減少化石燃料的使用有很大幫助。通過膜分離方法與吸收法綜合效果的比較，膜分離法比吸收法可以回收更多的甲烷，投資也少，因而具有更大的優(yōu)勢(shì)。2.離子交換膜的應(yīng)用離子交換膜的離子交換能力和含水量極大

9、地影響膜的性能。膜的離子交換能力和載體的濃度越大，膜的選擇性和滲透率將越大2o含堿金屬鹽或胺化合物的液膜具有高的二氧化碳選擇性，但是由于液膜不穩(wěn)定。吸水膨脹的水凝膠膜能解決這一困難，卻不損壞膜所具有的良好選擇性。親水性的吸水膨脹的離子交換膜能夠有效地吸附水性載體溶液，因此表現(xiàn)出高的穩(wěn)定性。3.復(fù)合導(dǎo)電透膜的應(yīng)用20世紀(jì)80年代末以來，基于導(dǎo)電聚合物的特殊微觀形態(tài)和電化學(xué)性質(zhì)，人們展開了將導(dǎo)電聚合物用作透膜的研究。復(fù)合導(dǎo)電透膜具有良好的力學(xué)性能和獨(dú)特的電化學(xué)性質(zhì)，能對(duì)外部環(huán)境的某些特定刺激產(chǎn)生響應(yīng)，如通過對(duì)導(dǎo)電透膜加上電刺激，可以對(duì)其化學(xué)和物理性質(zhì)進(jìn)行原位操縱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)透膜透過性和選擇性的控制

10、。復(fù)合導(dǎo)電透膜的合成制備方法按氧化方式大致分為化學(xué)氧化聚合和電化學(xué)氧化聚合兩類6?；瘜W(xué)氧化聚合是基于某些導(dǎo)電聚合物單體可在氧化劑(如FeCl3、CuCl2)作用下氧化縮聚的原理，將單體或氧化劑預(yù)先浸漬到基體透膜材料上，然后再氣相或液相下進(jìn)行氧化聚合反應(yīng)，以制得復(fù)合導(dǎo)電透膜。電化學(xué)氧化聚合是在電解過程中，電極和聚合物單體之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移使聚合物單體聚合。電化學(xué)氧化聚合采用的基體透膜材料通常為多孔聚合物，按其采用工藝的不同還可進(jìn)一步分為電化學(xué)一步法和電化學(xué)二步法兩種。電化學(xué)一步法是把聚合單體、支撐多孔聚合物一起溶解于電解液中，一次電解直接得到所需要的復(fù)合膜。二步法通常預(yù)先把成膜性能良好的聚合物基膜

11、覆蓋在一個(gè)裸露的金屬電極上，然后將這一電極作為工作電極放入含有單體的電解質(zhì)溶液中，在電極上進(jìn)行單體的電解聚合，制得復(fù)合膜。在導(dǎo)電透膜的制備中，電化學(xué)二步法是常用的方法。高分子分離膜的發(fā)展歷程高分子材料是材料領(lǐng)域中的新秀，它的出現(xiàn)帶來了材料領(lǐng)域中的重大變革。目前高分子材料在尖端技術(shù)、國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的材料，也成為發(fā)展高新技術(shù)所需要的高新能結(jié)構(gòu)材料、高功能材料以及滿足各種特殊用途的專用材料。自從20世紀(jì)20年代高分子科學(xué)建立以來，功能高分子就隨之發(fā)展起來。至今已成為高分子科學(xué)中的一重要部分，新型高分子材料更是在材料科學(xué)領(lǐng)域中充滿活力。例如特種

12、高分子材料、分離功能高分子材料、高分子微球材料、導(dǎo)電高分子材料、光學(xué)性能高分子材料、醫(yī)用高分子材料等等。這些新材料將成為高分子材料的希望。膜技術(shù)則是當(dāng)代高效分離新技術(shù)，與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，它具有分離效率高、低耗能、占地面積小、過程簡(jiǎn)單、操作方便、不污染環(huán)境、便于與其他技術(shù)集成等非常突出的優(yōu)點(diǎn)。在當(dāng)今世界能源、水資源短缺，水和污染日益嚴(yán)重的情況下，膜分離科學(xué)得到了世界各國(guó)的重視，成為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。世界著名化學(xué)與膜科學(xué)專家黎念之院士在訪問我國(guó)時(shí)說：“誰(shuí)掌握了膜技術(shù)，誰(shuí)就掌握了化工業(yè)的未來?！币虼?，膜技術(shù)的發(fā)展將有力地推動(dòng)我國(guó)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。高分子膜材料的發(fā)展前景高分子膜材料技術(shù)

13、是適應(yīng)當(dāng)代新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)高技術(shù)，被公認(rèn)為20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途的高技術(shù)之一。目前已普遍用于污水處理、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工、電子、輕工、紡織、冶金、石油化工等領(lǐng)域。自從上世紀(jì)20年代被發(fā)明以后，經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，高分子膜材料家族已經(jīng)擁有了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的成員，它們被廣泛的應(yīng)用在個(gè)各個(gè)領(lǐng)域，以其獨(dú)具特色的方式給人類帶來了便利。那么高分子膜材料在新的世紀(jì)有怎樣的發(fā)展呢？各種各樣的新型高分子膜材料告訴了我們答案。各種各樣的高分子膜材料在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著其獨(dú)特的作用，從最低級(jí)的農(nóng)田覆蓋保護(hù)膜到比較高級(jí)的離子交換膜、高分子分離膜等等，高分子膜材料的應(yīng)用越來越廣。所以，在新的世紀(jì)，隨著化學(xué)科學(xué)的發(fā)

14、展及人類的需要，高分子膜材料必將迎來一個(gè)發(fā)展的高峰期，而不會(huì)使在上個(gè)世紀(jì)初的那種緩慢的、只有單一的人或者研究所在研究。這一點(diǎn)，從各個(gè)大學(xué)、學(xué)院把材料這一學(xué)科從開始分屬于化學(xué)學(xué)科到現(xiàn)在單獨(dú)的進(jìn)行分類研究就可一得出這樣的結(jié)論。由于高分子材料擁有傳統(tǒng)金屬、陶瓷等材料所部未有的優(yōu)勢(shì)，那么，作為高分子材料的一員，高分子膜材料也必將擁有極大的發(fā)展前景。膜分離技術(shù)的核心是膜，分離膜材料的化學(xué)性質(zhì)和膜的結(jié)構(gòu)對(duì)膜分離的性能起著決定性影響。合成高材料以其良好的成膜性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸、堿、微生物侵蝕和耐氧化性能，一直占據(jù)分離膜材料的主導(dǎo)地位。3但目前這類高分子材料大多為已有商品高分子，并非按膜分離需要設(shè)

15、計(jì)合成，這也是目前一些膜性能不理想的原因，因此根據(jù)現(xiàn)今對(duì)膜分離機(jī)理的認(rèn)識(shí)，繼續(xù)合成各種分子結(jié)構(gòu)的功能高分子，制成均質(zhì)膜，定量地研究分子結(jié)構(gòu)與分離性能之間的關(guān)系；根據(jù)不同的分離對(duì)象，引入不同的活化基團(tuán)，通過改變高分子的自由體積和鏈的柔軟性，改進(jìn)其分離性能或改變其物理、化學(xué)性質(zhì)；發(fā)展高分子合金，使膜具有性能不同甚至截然相反的基團(tuán)，在更大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其性能，是高分子膜材料將要集中研究的幾個(gè)方面。小結(jié)與先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)的膜分離技術(shù)和水平還存在相當(dāng)大的差距，主要表現(xiàn)在研究成果周期長(zhǎng)且轉(zhuǎn)化率低；分離膜品種少，性能低，一些高性能的膜還依賴于進(jìn)口。目前在我國(guó)微濾、超濾、納濾、反滲透以及電滲析膜的分離技術(shù)一相當(dāng)

16、成熟。但膜材料水平較低，為了解決膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展首先要解決膜材料結(jié)構(gòu)的可控制備，再提高膜的材料性能，從而進(jìn)一步發(fā)展我國(guó)的高分子膜產(chǎn)業(yè)。綜上所述，高分子膜材料是一種新興的材料，它的應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)，資源有效利用方面有著不可忽視的重要意義。因此，發(fā)展高分子膜產(chǎn)業(yè)對(duì)于我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展是非常有利的。我們應(yīng)不斷探索創(chuàng)新，開辟出新天地。參考文獻(xiàn)1王廣珠、王德良、崔煥芳.國(guó)產(chǎn)水廠處理用離子交換樹脂現(xiàn)狀綜述，中國(guó)電力2003.362王志斌，申靜，高朝祥，周文高分子膜材料在膜分離過程的應(yīng)用.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州646005)3鄭領(lǐng)英、王學(xué)松.膜技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.20004董子豐.氣體膜分離在石化領(lǐng)域的引用.北京19995滕一萬(wàn)、武法文、王輝、李磊、張志炳1CO2/CH4高分子氣體分離膜材料研究進(jìn)展(1南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化工系，江蘇南京210093;2中國(guó)藥科大學(xué)藥學(xué)院制藥工程教研室，江蘇南京210009)6王世榮、張敬賢.分子分離膜材料的最新研究進(jìn)展(1.第七一八研究所，河北邯鄲056027;2.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邯鄲0