高分子分離膜課件

1、高分子分離膜材料高分子分離膜材料基本概念基本概念 高分子分離膜：高分子分離膜：用高分子材料制成的具有選擇性透過功能的半透性薄膜。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、無機(jī)物的溶液等分離，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)。分離膜包括兩個(gè)內(nèi)容：一是膜材料，二是制膜技術(shù)。 目前，大多數(shù)的分離膜都是固體膜，無論從產(chǎn)量、產(chǎn)值、品種、功能或應(yīng)用對象來講，固體膜都占99% 以上， 其中尤以有機(jī)高分子膜材料制備的膜為主。 在膜分離過程中用得最多的是非對稱膜。有機(jī)高分子非對稱分離膜分非對稱膜（Asymmetric me

2、mbrane）和復(fù)合膜（Composite membrane）兩類。 膜分離過程具有低能耗、分離效率高、設(shè)備體積較小等優(yōu)點(diǎn)，半個(gè)世紀(jì)以來，膜分離完成了從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，成為一項(xiàng)高效、節(jié)能的新分離技術(shù)。 膜分離在工業(yè)上的應(yīng)用以1925 年saetorious公司成立濾膜公司為起點(diǎn),此后差不多每10 年就有一項(xiàng)新的膜過程在工業(yè)上得到應(yīng)用。 30 年代的微孔濾膜、40 年代開發(fā)的滲析、50 年代的電滲析、60 年代的反滲透、70 年代的超濾、80 年代的氣體分離、90 年代的滲透汽化。 目前，幾十萬噸/天的反滲透海水淡化工廠、全氟離子交換膜制堿技術(shù)、近萬平方米的大型超濾退漿廢水處理以及

3、1000 多套中空纖維氦、氮、氫膜分離裝置投入運(yùn)行等等，都說明膜分離技術(shù)的規(guī)模、水平和重要作用。膜分離發(fā)展概況膜分離發(fā)展概況 膜分離現(xiàn)象在近40 年內(nèi)迅速發(fā)展，首先是由于有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)理論研究的積累。從1748 年Nollet發(fā)現(xiàn)膜的滲透現(xiàn)象以來，相繼提出了擴(kuò)散定律、膜的滲析現(xiàn)象（Dialysis）、滲透壓理論、Donnan 分布定律、膜電勢的研究等等； 其次是近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為分離膜研究提供了良好基礎(chǔ)。高分子科學(xué)的進(jìn)展為膜分離技術(shù)提供了具有各種分離特性的合成高分子膜材料，電子顯微鏡等近代分析技術(shù)的進(jìn)展為分離膜的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系以及分離機(jī)理的研究提供了有效的手段； 第三是現(xiàn)代工業(yè)迫切需要節(jié)能、低品

4、位原料再利用和能消除環(huán)境污染的生產(chǎn)新技術(shù)，而大部分膜分離過程無相變，因而節(jié)能水資源再生、低品位原材料的回收與再利用、污水及廢氣處理等也都與膜分離過程密切相關(guān)。高分子分離膜的發(fā)展1846年，德國學(xué)者會(huì)拜思用硝基纖維素制成第一張高分子膜。1920年，麥克戈達(dá)開始觀察和研究反滲透現(xiàn)象。1930年，人們將纖維素膜用于超濾分離。1940年， 離子交換膜開發(fā)和利用及電滲析方法建立。1950年，加拿大學(xué)者薩里拉簡研究反滲透。1960年，洛伯和薩里拉簡成功地制備具有完整表皮和高度不對稱的第一張高效能的反滲透膜，為該法奠定了基礎(chǔ)。1970年代以來，超濾膜、微濾膜成功地開發(fā)和應(yīng)用，有支撐的液膜和乳液膜及氣體分離膜

5、也相繼問世。我國膜分離技術(shù)發(fā)展史 我國膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是從1958年研究離子交換膜開始的。60年代進(jìn)入開創(chuàng)階段。1965年著手反滲透的探索，1967年開始的全國海水淡化會(huì)戰(zhàn)，大大促進(jìn)了我國膜科技的發(fā)展。70年代進(jìn)入開發(fā)階段。這時(shí)期，微濾、電滲析、反滲透和超濾等各種膜和組器件都相繼研究開發(fā)出來，80年代跨入了推廣應(yīng)用階段。80年代又是氣體分離和其他新膜開發(fā)階段。 高分子分離膜材料高分子分離膜材料 主要有聚酸胺類、聚酸亞胺類、聚砜類、聚乙烯酸類、丙烯類衍生物聚合物及纖維素類等，有關(guān)的共聚物和共混物也可作為膜材料用。各種高分子分離膜已廣泛用于核燃料及金屬提煉，氣體及烴類分離，海水及苦咸水淡化，純水及

6、超純水制備，環(huán)境保護(hù)和污水處理，人工臟器的制造，生物制品提純以及醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、化工等各個(gè)領(lǐng)域中。高分子膜分離過程 膜分離過程主要有反滲透、超濾、微濾、電滲析、壓滲析、氣體分離、滲透汽化和液膜分離等。 1 1.微濾微濾鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物，以達(dá)到凈化、分離、濃縮的目的。具體涉及領(lǐng)域主要有：醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)（明膠、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高純水、城市污水、工業(yè)廢水、飲用水、生物技術(shù)、生物發(fā)酵等。2.2.超濾超濾早期的工業(yè)超濾應(yīng)用于廢水和污水處理。三十多年來，隨著超濾技術(shù)的發(fā)展，如今超濾技術(shù)已經(jīng)涉及食品加工、飲料工業(yè)、

7、醫(yī)藥工業(yè)、生物制劑、中藥制劑、臨床醫(yī)學(xué)、印染廢水、食品工業(yè)廢水處理、資源回收、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域。3.3.納濾納濾 納濾的主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及：食品工業(yè)、植物深加工、飲料工業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、精細(xì)化工、環(huán)保工業(yè)4.4.反滲透反滲透 由于反滲透分離技術(shù)的先進(jìn)、高效和節(jié)能的特點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門都得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于水處理和熱敏感性物質(zhì)的濃縮，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下：食品工業(yè)、牛奶工業(yè)、飲料工業(yè)、植物（農(nóng)產(chǎn)品）深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、制備飲用水、純水、超純水、海水、苦咸水淡化、電力、電子、半導(dǎo)體工業(yè)用水、醫(yī)藥行業(yè)工藝用水、制劑用水、注射用水、無菌無熱源純水、食品飲料工業(yè)、

8、化工及其它工業(yè)的工藝用水、鍋爐用水、洗滌用水及冷卻用水.5.5.其他常用膜分離過程其他常用膜分離過程 除了以上四種常用的膜分離過程，另外還有滲析、控制釋放、膜傳感器、膜法氣體分離等。 目前，已有微濾、超濾、納濾、反滲透等膜在不同過程和眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為替代傳統(tǒng)技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。以飲用水處理為例，隨著工業(yè)的發(fā)展，天然水中的農(nóng)藥和“三致”（致癌、致畸、致突變）特質(zhì)不斷增加，而這些物質(zhì)都是傳統(tǒng)處理技術(shù)無法除掉的。因此，為了保證人民飲水的清潔，發(fā)達(dá)國家已開始用膜技術(shù)逐步取代傳統(tǒng)的飲用水處理技術(shù)。 膜分離的動(dòng)力來源？膜分離的動(dòng)力來源？ 推動(dòng)膜分離過程的外力可以是壓力差、電位差、濃度

9、差、溫度差或濃度差加化學(xué)反應(yīng)。膜分離技術(shù)特點(diǎn)膜分離技術(shù)特點(diǎn) 膜分離過程是一個(gè)高效、環(huán)保的分離過程，它是多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，它在物理、化學(xué)和生物性質(zhì)上可呈現(xiàn)出各種各樣的特性，具有較多的優(yōu)勢。 與傳統(tǒng)的分離技術(shù)如蒸餾、吸附、吸收、萃取、深冷分離等相比，膜分離技術(shù)具有以下特點(diǎn)。1. 高效的分離過程2. 低能耗3. 接近室溫的工作溫度4. 品質(zhì)穩(wěn)定性好5. 連續(xù)化操作6. 靈活性強(qiáng)7. 純物理過程8. 環(huán)保膜分離過程的基本特性膜分離過程的基本特性 膜分離技術(shù)以其節(jié)能效果顯著、設(shè)備簡單、操作方便、容易控制而受到廣大用戶的普遍歡迎。選擇適當(dāng)?shù)哪し蛛x過程，可替代鼓式真空過濾、板框壓濾、離子交換、離心分離、

10、溶媒抽提、靜電除塵、袋式過濾、吸附/再生、絮凝/共聚、傾析/沉淀、蒸發(fā)、結(jié)晶等多種傳統(tǒng)的分離與過濾方法。 高分子分離膜的應(yīng)用高分子分離膜的應(yīng)用 DMFC 質(zhì)子交換膜的應(yīng)用： 微慮膜的應(yīng)用 超慮膜的應(yīng)用 離子交換膜的應(yīng)用 . 在氫燃料電池中獲得了技術(shù)上巨大成功的全氟磺酸系列質(zhì)子交換膜，如DuPont 公司開發(fā)的Nafion 膜用于DMFC 時(shí)，在目前DMFC 研究中大量采用。 Nafion 膜在DMFC 中使用時(shí)無法有效地阻擋甲醇向陰極的滲透，其滲透率會(huì)高達(dá)40 % ，這是DMFC 研究的主要難題之一。 開發(fā)新材料的DMFC 質(zhì)子交換膜是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，富有代表性的經(jīng)改性處理的聚芳環(huán)系列的各種復(fù)

11、合膜有聚磷腈膜、聚氧亞苯基膜、聚苯乙烯膜、磺化苯乙烯-乙烯-丁烯-磺化苯乙烯膜等。 有機(jī)聚合物基體與無機(jī)微粒的摻雜復(fù)合膜、不同類型聚合物復(fù)合膜有望在DMFC質(zhì)子交換膜的商品化中實(shí)現(xiàn)突破，從而實(shí)現(xiàn)DMFC的商品化。DMFC DMFC 質(zhì)子交換膜的研究狀況質(zhì)子交換膜的研究狀況超濾膜在廢水處理中的應(yīng)用 在廢水處理方面，膜分離技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛。值得一提的是，由于在膜分離過程中不加入任何其他物質(zhì)，因此膜技術(shù)凈化廢水的過程同時(shí)也使有用物質(zhì)得以回收，產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)效率得以提高，成本降低，能耗與物耗減少，污染消除或減輕，因而是名副其實(shí)的環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)。比如，采用超濾膜處理電泳漆廢水，不僅處理后的水可以回用于

12、清洗，而且分離出的涂料也可以回用；采用納濾膜處理染料廢水，不僅可以凈化水，還可回收染料。 離子交換膜離子交換膜燃料電池用質(zhì)子交換膜燃料電池用質(zhì)子交換膜 （PEMFC） 燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，直接將燃料燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，直接將燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)的方和氧化劑中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)的方式轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置，具有能量式轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化率高、安全可靠、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)化率高、安全可靠、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。用于氫氣的回收用于氫氣的回收 另類高分子分離膜對氫氣具有選擇性，可有效地用于合成氣體（2/CO）的調(diào)解，冶煉氣體中氫氣的回收以及液態(tài)氨合成中的氫

13、氣回收，此類技術(shù)在美國廣泛應(yīng)用。高分子分離膜的其他應(yīng)用高分子分離膜的其他應(yīng)用有機(jī)氣體的回收有機(jī)氣體的回收 針對一些高分子材料對有機(jī)氣體有特殊的選擇性、過濾性，有機(jī)氣體在此類高分子材料中穿透性快的特點(diǎn)，將分離膜用于有機(jī)氣體的回收，如回收在塑料合成中的單分子氣體，回收工業(yè)排放氣中的有機(jī)物質(zhì)，即使能源再利用，又凈化了空氣，美國及西方國家生產(chǎn)出的此類高分子分離膜已廣泛應(yīng)用于化工工業(yè)及環(huán)境治理。 用于天然氣的回收用于天然氣的回收 天然氣中所含的CO2,H2O和H2S是造成天然氣質(zhì)量低，輸送管道易被腐蝕的主要原因，高分子分離膜能有效的除去此類有害物質(zhì)，提高天然氣質(zhì)量，延長管道使用壽命。 用于氮?dú)夂脱鯕獾闹迫∮糜诘獨(dú)夂脱鯕獾闹迫?以空氣作原料，高分子分離膜可分離出含量為99%的氮?dú)猓繛?0%以上的氧氣。 新一代的高分子分離膜產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)將更加精湛，用途將涉及到血液的凈化，人造肝膽一類的生物工程領(lǐng)域，前景更加可觀。展望1. . 我們要致力于將新興的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的工藝技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起 來，不斷將膜技術(shù)的研究成果從實(shí)驗(yàn)室推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2. 我們要致力于研究新的膜材料，開發(fā)研究新的聚合膜材料。3. 我們要致力于將無機(jī)膜的發(fā)展推向前。無機(jī)膜由于擁有其他聚合物所無法具有的一些優(yōu)