新型功能材料2

1、第三單元第三單元 新型功能材料新型功能材料 3.5 光導纖維3.5.1 光導纖維及光導原理光導纖維及光導原理 光導纖維是一種由折射率較大的纖芯和折光導纖維是一種由折射率較大的纖芯和折射率較小的包層構成的可以自由彎曲的導光射率較小的包層構成的可以自由彎曲的導光材料。材料。 光纖的作用是將始端的入射光線傳輸?shù)浇K光纖的作用是將始端的入射光線傳輸?shù)浇K端，利用光來傳輸信息和圖像。端，利用光來傳輸信息和圖像。1871年，英國物理學家丁達爾作的演講實驗1) 光導纖維的特性光導纖維的特性 傳輸損耗小傳輸損耗小 引起損耗的主要原因是光的吸收與散射引起損耗的主要原因是光的吸收與散射 傳輸頻帶寬傳輸頻帶寬 機械性能

2、好機械性能好 光纖極細且很長，要求它具有很高的強度和光纖極細且很長，要求它具有很高的強度和抗疲勞能力抗疲勞能力2)分類 一類是芯皮型結構光導纖維。中央有一根芯，直徑只有幾十微米，芯的四周是一圈包覆層。芯是用折射率高的透明玻璃材料做成的，包覆層則是用折射率低的玻璃或塑料做成的。 另一類光導纖維叫目聚焦纖維，這類光導纖維好像是由許多微型透鏡組成的，能迫使入射光線逐漸自動地向纖維的中心軸方向靠攏，進行聚焦，由此保證入射光線不會從纖維材料中漏出去。 b光纖橫截面結構示意圖光纖橫截面結構示意圖n1n2 光導纖維 光纖傳輸像光在光導纖維中的傳播光在光導纖維中的傳播 在光纖中，光的傳送利用光的全反射原在光纖

3、中，光的傳送利用光的全反射原理，理， 當入射進光纖芯子中的光與光纖軸線的當入射進光纖芯子中的光與光纖軸線的交角小于一定值時，光線在界面上發(fā)生全反射。交角小于一定值時，光線在界面上發(fā)生全反射。這時，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折這時，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進，但不會穿出包層，完全避免了光在傳輸前進，但不會穿出包層，完全避免了光在傳輸過程中的過程中的 折射損耗。折射損耗。 22001cossincladcoreicoreextnnnNAnnNA0222sin2nnNAnnnnnncoreextcorecladcorecorecladcorecorencladncladnextin

4、ii10nRay Picture of Optical Fibers (N.A)（2）聚合物光纖）聚合物光纖 3.5.2 光纖材料光纖材料 （1）石英玻璃光纖）石英玻璃光纖 （3）非氧化物光纖）非氧化物光纖 （4）晶體光纖）晶體光纖 石英光纖母體材料的制備方法示意圖石英光纖母體材料的制備方法示意圖 42223225224326SiClOSiOClPOClOPOCl化學氣相沉積法制石英光纖化學氣相沉積法制石英光纖2000左右左右 加熱熔化預型件加熱熔化預型件拉絲過程最重要的是拉絲過程最重要的是 控制纖維直徑的恒定。控制纖維直徑的恒定。 為此必須嚴格穩(wěn)定為此必須嚴格穩(wěn)定 爐溫和控制氣氛的變化。爐溫

5、和控制氣氛的變化。拉絲裝置拉絲裝置3.5.3 光導纖維的應用光導纖維的應用 上圖為6芯光纜上圖為現(xiàn)代通信用的光纜，是光導纖維制作的左圖為48芯光纜的橫斷面 工業(yè)內(nèi)窺鏡工業(yè)內(nèi)窺鏡 光學纖維變換器光學纖維變換器 醫(yī)學纖維鏡醫(yī)學纖維鏡 電耦合器件連接器電耦合器件連接器 交通信號指示燈交通信號指示燈 光學纖維板光學纖維板 傳感和傳能光纖傳感和傳能光纖用光導纖維制作的內(nèi)窺鏡，可以觀察人體的內(nèi)臟 3.6 液晶材料NOH3CNO CH3O4,4-二甲氧基氧化偶氮苯二甲氧基氧化偶氮苯 熔點熔點116，形成渾濁液體；，形成渾濁液體；134時突變?yōu)橥该饕后w時突變?yōu)橥该饕后w液晶物質的相態(tài)變化液晶物質的相態(tài)變化液晶液

6、晶Liquid Crystal液晶小分子液晶小分子液晶高分子液晶高分子高分子量分子取向特特 性性高強度、高模量高強度、高模量航天，航空航天，航空 膨脹系數(shù)小膨脹系數(shù)小光導纖維被覆光導纖維被覆 微波吸收系數(shù)小，耐熱性好微波吸收系數(shù)小，耐熱性好微波爐具微波爐具 鐵電性鐵電性顯示器件顯示器件 高流動高流動3.6.1 液晶的化學結構液晶的化學結構液晶基元：高分子液晶中具有一定長徑比的結構單元。液晶基元：高分子液晶中具有一定長徑比的結構單元。液晶液晶基元基元棒狀棒狀(或條狀或條狀) 長徑比大于長徑比大于4雙親性分子雙親性分子盤狀盤狀 軸比小于軸比小于1/4 NHNHCCOO熱致型：依靠升高溫度，在某一溫

7、度范圍內(nèi)形成熱致型：依靠升高溫度，在某一溫度范圍內(nèi)形成 溶致型：依靠溶劑溶解，在一定的濃度范圍內(nèi)形成溶致型：依靠溶劑溶解，在一定的濃度范圍內(nèi)形成早期的液晶大多是剛性棒狀早期的液晶大多是剛性棒狀的分子的分子 中心橋鍵的結構與液晶性能中心橋鍵的結構與液晶性能密切相關密切相關 苯六正烷基羧酸酯 無中心橋鍵，對光、電具無中心橋鍵，對光、電具有很高的穩(wěn)定性，粘度特有很高的穩(wěn)定性，粘度特別低別低 聚對苯二甲酰對苯二胺 高分子液晶高分子液晶OOOOOOROROROROROROMXYnmM: 中心橋鍵n, m=1, 2, .C NO HNHCOn3.6.2 分類近晶型：分子排列方向一致，成層狀。分子層之間近晶

8、型：分子排列方向一致，成層狀。分子層之間 可以相對滑動，分子在本層內(nèi)可以活動。各方向上可以相對滑動，分子在本層內(nèi)可以活動。各方向上 粘度都很大。粘度都很大。 向列型：分子軸平行排列，棒狀分子很容易沿流動向列型：分子軸平行排列，棒狀分子很容易沿流動 方向取向而具有很好的流動性。方向取向而具有很好的流動性。 膽甾型：分子平行排列成層狀，各層的分子軸向依膽甾型：分子平行排列成層狀，各層的分子軸向依次規(guī)則地轉過一定的角度，形成螺旋結構。次規(guī)則地轉過一定的角度，形成螺旋結構。根據(jù)液晶分子的排列形式與有序性根據(jù)液晶分子的排列形式與有序性近晶型近晶型 向列型向列型 膽甾型膽甾型6.3 應用目前廣泛普及的LC

9、D的一種就是基于這種方式，在白的背景下可以顯示黑，在黑的背景下可以顯示白。液晶顯示器 液晶顯示器的構造液晶顯示器的構造 圖為用于儀表數(shù)字顯示的反射式TN型LCD的端面結構。 反射式TN型LCD的端面結構玻璃基板透明電極外周封接劑分子取向層偏振片偏振片分子取向層液晶透明電極 玻璃基板 反射板液晶顯示器的驅動液晶顯示器的驅動 液晶顯示器驅動用電極結構及其用途： 1、，主要用于數(shù)字顯示、模擬圖形顯示； 2、，用于符號顯示、圖案顯示； 3、，字符顯示、圖形顯示、電視畫面 顯示。 液晶顯示器液晶顯示器垂直線性偏光垂直線性偏光器器 玻璃薄片玻璃薄片 透明透明X電極電極 校準層校準層 液態(tài)晶體流液態(tài)晶體流

10、校準層校準層 透明透明Y電極電極 玻璃薄片玻璃薄片 水平線性偏光水平線性偏光器器DSTN（dual-scan twisted nematic，雙掃描交錯液晶顯示）雙掃描交錯液晶顯示） ， 被動矩陣（無源矩陣）被動矩陣（無源矩陣） TFT（thin film transistor，薄膜晶體，薄膜晶體管顯示），管顯示）， 積極矩陣（有源矩陣）積極矩陣（有源矩陣）紅、綠、藍三色液晶混合，形成一個象素。紅、綠、藍三色液晶混合，形成一個象素。 控制紅、控制紅、綠、藍三個色點的電壓，讓不同濃度的三色混合，就綠、藍三個色點的電壓，讓不同濃度的三色混合，就形成所需的各種顏色。形成所需的各種顏色。 整個整個TF

11、T顯示器的屏冪就是顯示器的屏冪就是由一格格的像素點構成，每一個點都有一個晶體管控由一格格的像素點構成，每一個點都有一個晶體管控制。制。 3.7 分離膜 分離膜：一種能有效選擇分離提取所需物質的高功能膜。 高的透過速率，高的分離系數(shù)，節(jié)能，環(huán)保。 廣泛用于飲食、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物技術、化工冶金、空氣分離、環(huán)境等領域。3.7.1 膜分離技術的發(fā)展簡史膜分離技術的發(fā)展簡史 其發(fā)展的歷史大致為：30年代微孔過濾；40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化。此外以膜為基礎的其它新型分離過程，以及膜分離與其它分離過程結合的集成過程(Integrated

12、 Membrane Process)也日益得到重視和發(fā)展。1950年W.Juda試制出選擇透過性能的離子交換膜，奠定了電滲析的實用化基礎。1960年洛布 (Loeb)和索里拉簡 (Souriringan)首次研制成世界上具有歷史意義的非對稱反滲透膜，這在膜分離技術發(fā)展中是一個重要的突破，使膜分離技術進入了大規(guī)模工業(yè)化應用的時代。3.7.2 膜的分類 按孔徑大小分：致密膜、多孔膜、纖維質膜。 致密膜：聚合物填充成分子狀，孔徑0-1.5nm，適合于反滲透、滲析、電滲析等操作。 多孔膜：孔徑5nm-1微米，孔大小既是膠體粒子的大小。適合超過濾、膜過濾等操作。 纖維質膜：孔徑2微米以上，相當于紙的二次

13、結構，用于大分散質的過濾操作。按結構分類1. 對稱膜： 結構與方向無關的膜，孔徑不規(guī)則或一定。2. 非對稱膜： 分離層（活性膜）和多孔支持膜， 活性膜要朝向待濃縮的原液層， 兩層膜是同一種材料。3 復合膜： 活性膜層沉積于具有微孔的底膜（支撐層）表面上， 表層與底層是不同的材料， 膜的性能與活性膜和底層膜都有關系 4. 荷電膜（離子交換膜）： 含有溶脹膠載著固定的正電荷或負電荷。 陰離子交換膜：帶正電荷 陽離子交換膜：帶負電荷 5. 微孔膜（0.0520m） 6. 動態(tài)膜： 在多孔介質上沉積一層顆粒物作為有選擇作用的膜， 沉積層與溶液處于動態(tài)平衡， 可在高溫下應用，膜更新容易，不穩(wěn)定。典型的非

14、對稱膜結構3.7.3 膜的分離原理1 滲透（osmosis）和透（滲）析（dialysis） 滲透是一個擴散過程，在膜兩邊滲透壓差的作用下溶劑產(chǎn)生流動。 透析是利用多孔膜兩側溶液的濃度差使溶質利用多孔膜兩側溶液的濃度差使溶質從濃度高的一側通過膜孔擴散到濃度低的一側從濃度高的一側通過膜孔擴散到濃度低的一側從而得到分離的過程。從而得到分離的過程。 2. 反滲透（reverse osmosis） 在膜的兩邊造成一個壓力差，并使其大于 滲透壓，就會發(fā)生溶劑倒流，使?jié)舛容^高的溶液進一步濃縮。 3. 超濾（ultrafiltration） 應用孔徑為應用孔徑為10到到200 的超過濾膜來過濾含的超過濾膜來

15、過濾含有大分子或微細粒子的溶液，使大分子或微細有大分子或微細粒子的溶液，使大分子或微細粒子從溶液中分離。粒子從溶液中分離。4. 微過濾（microfiltration） 利用孔徑大于利用孔徑大于0.02m直到直到l0m的多孔膜來過濾。的多孔膜來過濾。應用領域極其廣闊，目前的銷售額在各類膜中應用領域極其廣闊，目前的銷售額在各類膜中占據(jù)首位。占據(jù)首位。 5. 電滲析（electrodialysis） 在電場中交替裝配的陰離子和陽離子交換膜，在電場中形成一個個隔室， 使溶液中的離子有選擇地分離或富集。目目前主要用于水溶液中除去電解質前主要用于水溶液中除去電解質(如鹽水如鹽水的淡化等的淡化等) 6.

16、氣體透過（gas permeation） 氣體膜分離是利用氣體組分在膜內(nèi)溶解氣體膜分離是利用氣體組分在膜內(nèi)溶解和擴散性能的不同，即滲透速率的不同和擴散性能的不同，即滲透速率的不同來實現(xiàn)分離的技術，具有很大的發(fā)展前來實現(xiàn)分離的技術，具有很大的發(fā)展前景。景。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力推動力傳遞機理傳遞機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

17、截留分子量的分子的分子非對稱性膜非對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、一價離子、水、一價離子、多價離子多價離子有機物有機物復合膜復合膜反滲透反滲透壓力差壓力差溶劑的擴散傳遞溶劑的擴散傳遞水、溶劑水、溶劑溶質、鹽溶質、鹽非對稱性膜復非對稱性膜復合膜合膜膜過程膜過程推動力推動力傳遞機理傳遞機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的擴散傳遞溶質的擴散傳遞低分子量物、離子低分子量物、離子溶劑溶劑非對稱性膜非對稱性膜電滲析電滲析電位差電位差電解質離子的電解質離子的選擇傳遞選擇傳遞電解質離子電解質離子非電解質，非電解質，大分子物質大分子物質離子交換膜離子交換

18、膜氣體分離氣體分離壓力差壓力差氣體和蒸汽的氣體和蒸汽的擴散滲透擴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、復合均相膜、復合膜，非對稱膜膜，非對稱膜滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)壓力差壓力差選擇傳遞選擇傳遞易滲溶質或溶劑易滲溶質或溶劑難滲透性溶難滲透性溶質或溶劑質或溶劑均相膜、復合均相膜、復合膜，非對稱膜膜，非對稱膜液膜分離液膜分離濃度差濃度差反應促進和反應促進和擴散傳遞擴散傳遞雜質雜質溶劑溶劑乳狀液膜、支乳狀液膜、支撐液膜撐液膜續(xù)上表續(xù)上表3.7.4 膜材料及膜的制備膜材料及膜的制備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

19、成的有機高分子材料和無機材料。成的有機高分子材料和無機材料。 原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機材料原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機材料均可用于制備分離膜。但實際上，真正成為工業(yè)化均可用于制備分離膜。但實際上，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。的制備技術。 目前，實用的有機高分子膜材料有：纖維素酯目前，實用的有機高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，

20、已有成百種以上的膜被制備出來，其中約已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已多種已被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例，纖維素酯類被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例，纖維素酯類膜占膜占53，聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他材料的膜占他材料的膜占2，可見纖維素酯類材料在膜材料中，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。1） 纖維素酯類膜材料纖維素酯類膜材料 纖維素是由幾千個椅式構型的葡萄糖基通過纖維素是由幾千個椅式構型的葡萄糖基通過1, 4甙甙(dai)鏈連接起來的天然線性高分子化合物，鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結構式為：其結構式為：OH

21、OHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_22 從結構上看，每個葡萄糖單元上有三個羥基。從結構上看，每個葡萄糖單元上有三個羥基。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、醋酸酐進行酯化反應，得到二醋酸纖維與冰醋酸、醋酸酐進行酯化反應，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。素或三醋酸纖維素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 +

22、2 CH2COOH 醋酸纖維素是當今最重要的膜材料之一。醋酸纖維素是當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。為了改進其性能，進一步提高分離下易發(fā)生水解。為了改進其性能，進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

23、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值適應范值適應范圍較窄，不耐高溫和某些有機溶劑或無機溶劑。因圍較窄，不耐高溫和某些有機溶劑或無機溶劑。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。2） 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；分子鏈中含有親水性的極性基團； 主鏈上應有苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團，使之有主鏈上應有苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團，使之有高的抗壓密性和耐熱性；高的抗壓密性和耐熱性； 化學穩(wěn)定性好；化學穩(wěn)定性好； 具有可溶性；具有可溶性； 常用于制備分

24、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。（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 聚砜結構中的特征基團為聚砜結構中的特征基團為 ，為了引入親水基，為了引入親水基團，常將粉狀聚砜懸浮于有機溶劑中，用氯磺酸進行團，常將粉狀聚砜懸浮于有機溶劑中，用氯磺酸進行磺化?；腔?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。SOO 聚砜類樹脂具有

25、良好的化學、熱學和水解穩(wěn)定聚砜類樹脂具有良好的化學、熱學和水解穩(wěn)定性，強度也很高，性，強度也很高，pH值適應范圍為值適應范圍為113，最高使，最高使用溫度達用溫度達120，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因，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，目前的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：代表品種有：OCCH3CH3OS聚 砜聚 芳 砜聚 醚 砜聚苯醚砜OOnOnSOOSOOOnSOOOnSOOO （ii）聚酰胺類）聚酰胺類 早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍4、尼龍、尼龍66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽

26、水等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分離率在的分離率在8090之間，但透水率很低，僅之間，但透水率很低，僅0.076 ml/cm2h。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，制成的分離膜，pH適用范圍為適用范圍為311，分離率可達，分離率可達99.5（對鹽水），透水速率為（對鹽水），透水速率為0.6 ml/cm2h。長期。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團易與氯反應，故這種使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團易與氯反應，故這種膜對水中的游離氯有較高要求。膜對水中的游離氯有較高要求。 Du Pont公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的DPI型膜即為由此類膜材型膜即為由此類膜材料制成的，它

27、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+nCOCClNHCONHNHCCnDMACOOO 類似結構的芳香族聚酰胺膜材料還有：類似結構的芳香族聚酰胺膜材料還有：NHCONHNHCOnNHCONHNHCONHCOCOn （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 如由美國如由美國Celanese公司研制的公司研制的PBI膜即為此膜即為此種類種類型。這種膜材料可用以下路線合成：型。這種膜材料可用以下路線合成：NH2H2NNH2H2N+nOCOCOONNCHNNCH+2 nOH+2 n H2On 聚苯并咪唑酮類聚苯并咪唑酮類 這類膜的代表是日

28、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PBLL膜，膜，其化學結構為：其化學結構為： 這種膜對這種膜對0.5NaCl溶液的分離率達溶液的分離率達9095，并有較高的透水速率。并有較高的透水速率。NCONHSO2HNNCOn 聚吡嗪酰胺類聚吡嗪酰胺類 這類膜材料可用界面縮聚方法制得，反應式這類膜材料可用界面縮聚方法制得，反應式為：為：nClCOCHClCOCH+nHNNHRR界面縮聚COCHCOCHNNRR+ 2nHCln 聚酰亞胺類聚酰亞胺類 聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機溶劑能聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結構的力，因此是一類較好的

29、膜材料。例如，下列結構的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。NCCOONCCOOArn 其中，其中，Ar為芳基，對氣體分離的難易次序如下：為芳基，對氣體分離的難易次序如下：H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8易易 難難 聚酰亞胺溶解性差，制膜困難，因此開發(fā)了可聚酰亞胺溶解性差，制膜困難，因此開發(fā)了可溶性聚酰亞胺，其結構為：溶性聚酰亞胺，其結構為：NCCOOCH2CHRNCCOOCH2CHn （iv）離子性聚合物）離子性聚合物 離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子交換

30、樹脂相同，離子交換膜也可分為強酸型陽離子交換樹脂相同，離子交換膜也可分為強酸型陽離子膜、弱酸型陽離子膜、強堿型陰離子膜和弱堿型陰膜、弱酸型陽離子膜、強堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜等。在淡化海水的應用中，主要使用的是強離子膜等。在淡化海水的應用中，主要使用的是強酸型陽離子交換膜。酸型陽離子交換膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離子聚合物膜。子聚合物膜。OCH3H3CHClSO3SO3HHCl+CH3OH3C+nnCCH3CH3OSOOOHClSO3+nCCH3CH3OSOOOnSO3H （v）乙烯基聚合物）乙烯基聚合物 用作膜材料的乙烯基聚合物包

31、括聚乙烯醇、聚用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯苯乙烯磺酸、聚乙烯醇磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯甲基丙烯酸酯、聚乙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。聚物也可用作膜材料。3.7.5 膜的制備膜的制備1. 分離膜制備工藝類型分離膜制備工藝類型 膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣的材

32、料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進的制膜工藝是制造優(yōu)良性差別很大。合理的、先進的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。能分離膜的重要保證。 目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實用的目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實用的是相轉化法（流涎法和紡絲法）和復合膜化法。是相轉化法（流涎法和紡絲法）和復合膜化法。2. 相轉化制膜工藝相轉化制膜工藝 相轉化是指將均質的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或相轉化是指將均質的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉變?yōu)楣滔蛉芤杭尤敕侨軇┗蚣訜嶂颇ひ?，使液相轉變?yōu)楣滔嗟倪^程。相轉化制

33、膜工藝中最重要的方法是相的過程。相轉化制膜工藝中最重要的方法是LS型制膜法。它是由加拿大人勞勃（型制膜法。它是由加拿大人勞勃（S. Leob）和索里）和索里拉金（拉金（S. Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維素膜。酸纖維素膜。 將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸發(fā)，經(jīng)過相轉化就形成了由液相轉化為固相的膜，發(fā)，經(jīng)過相轉化就形成了由液相轉化為固相的膜，其工藝框圖可表示如下：其工藝框圖可表示如下：聚合物溶劑添加劑均質制膜液流

34、涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗后處理非對稱膜LS法制備分離膜工藝流程框圖法制備分離膜工藝流程框圖3. 復合制膜工藝復合制膜工藝 由由LS法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.251m，相當于總厚度的，相當于總厚度的1/100左右。理論研究表明可左右。理論研究表明可知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用LS法法制備表面層小于制備表面層小于0.1m的膜極為困難。為此，發(fā)展的膜極為困難。為此，發(fā)展了復合制膜工藝，其方

35、框圖如圖所示。了復合制膜工藝，其方框圖如圖所示。多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復合膜形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑復合制膜工藝流程框圖復合制膜工藝流程框圖3.7.6 膜的保存膜的保存 分離膜的保存對其性能極為重要。主要應防止分離膜的保存對其性能極為重要。主要應防止微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。 微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜，而水微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜，而水解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、pH值值不適當和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。冷不適當和水中游離氧

36、的存在均會造成膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結構。膜的收縮主要發(fā)生凍會使膜膨脹而破壞膜的結構。膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下在濕態(tài)保存時的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴重時還會造成膜的破裂。降，孔徑分布不均勻，嚴重時還會造成膜的破裂。當膜與高濃度溶液接觸時，由于膜中水分急劇地向當膜與高濃度溶液接觸時，由于膜中水分急劇地向溶液中擴散而失水，也會造成膜的變形收縮。溶液中擴散而失水，也會造成膜的變形收縮。3.7.7 膜的結構膜的結構 膜的結構主要是指膜的形態(tài)、膜的結晶態(tài)和膜膜的結構主要是指膜的形態(tài)、膜的結晶態(tài)和膜的分子態(tài)結構。膜結構的研究可以了

37、解膜結構與性能的分子態(tài)結構。膜結構的研究可以了解膜結構與性能的關系，從而指導制備工藝，改進膜的性能。的關系，從而指導制備工藝，改進膜的性能。3.7.7.1 膜的形態(tài)膜的形態(tài) 用電鏡或光學顯微鏡觀察膜的截面和表面，可以用電鏡或光學顯微鏡觀察膜的截面和表面，可以了解膜的形態(tài)。下面僅對了解膜的形態(tài)。下面僅對MF膜、膜、UF膜和膜和RO膜的形膜的形態(tài)作簡單的討論。態(tài)作簡單的討論。1. 微孔膜微孔膜具有開放式的網(wǎng)格結構具有開放式的網(wǎng)格結構 微孔膜具有開放式的網(wǎng)格結構，形成機理為：微孔膜具有開放式的網(wǎng)格結構，形成機理為：制膜液成膜后，溶劑首先從膜表面開始蒸發(fā)，形成制膜液成膜后，溶劑首先從膜表面開始蒸發(fā)，形

38、成表面層。表面層下面仍為制膜液。溶劑以氣泡的形表面層。表面層下面仍為制膜液。溶劑以氣泡的形式上升，升至表面時就形成大小不等的泡。這種泡式上升，升至表面時就形成大小不等的泡。這種泡隨著溶劑的揮發(fā)而變形破裂，形成孔洞。此外，氣隨著溶劑的揮發(fā)而變形破裂，形成孔洞。此外，氣泡也會由于種種原因在膜內(nèi)部各種位置停留，并發(fā)泡也會由于種種原因在膜內(nèi)部各種位置停留，并發(fā)生重疊，從而形成大小不等的網(wǎng)格。生重疊，從而形成大小不等的網(wǎng)格。 開放式網(wǎng)格的孔徑一般在開放式網(wǎng)格的孔徑一般在0.11m之間，可以之間，可以讓離子、分子等通過，但不能使微粒、膠體、細菌讓離子、分子等通過，但不能使微粒、膠體、細菌等通過。等通過。

39、2. 反滲透膜和超過濾膜的雙層與三層結構模型反滲透膜和超過濾膜的雙層與三層結構模型 雷萊（雷萊（Riley）首先研究了用）首先研究了用LS法制備的醋酸法制備的醋酸纖維素反滲透膜的結構。從電鏡中可看到，醋酸纖纖維素反滲透膜的結構。從電鏡中可看到，醋酸纖維反滲透膜具有不對稱結構。與空氣接觸的一側是維反滲透膜具有不對稱結構。與空氣接觸的一側是厚度約為厚度約為0.25m的表面層，占膜總厚度的極小部的表面層，占膜總厚度的極小部分（一般膜總厚度約分（一般膜總厚度約100 m）。表面沒有物理孔）。表面沒有物理孔洞，致密光滑。下部則為多孔結構，孔徑為洞，致密光滑。下部則為多孔結構，孔徑為0.4m左右。這種結構

40、被稱為雙層結構模型。左右。這種結構被稱為雙層結構模型。 吉頓斯（吉頓斯（Gittems）對醋酸纖維素膜進了更精細）對醋酸纖維素膜進了更精細的觀察，認為這類膜具有三層結構。最上層是表面的觀察，認為這類膜具有三層結構。最上層是表面活性層，致密而光滑，其中不存在大于活性層，致密而光滑，其中不存在大于10 nm的細的細孔。中間層稱為過渡層，具有大于孔。中間層稱為過渡層，具有大于10 nm的細孔。的細孔。上層與中間層之間有十分明顯的界限，中間層以下上層與中間層之間有十分明顯的界限，中間層以下為多孔層，具有為多孔層，具有50 nm以上的孔。與模板接觸的底以上的孔。與模板接觸的底部也存在細孔，與中間層大致相

41、仿。上、中兩層的部也存在細孔，與中間層大致相仿。上、中兩層的厚度與溶劑蒸發(fā)的時間、膜的透過性等均有十分密厚度與溶劑蒸發(fā)的時間、膜的透過性等均有十分密切的關系。切的關系。3.7.8 典型的膜分離技術及應用領域典型的膜分離技術及應用領域 典型的膜分離技術有微孔過濾典型的膜分離技術有微孔過濾(MF)、超濾、超濾(UF)、反滲透反滲透(RO)、納濾、納濾(NF)、滲析、滲析(D)、電滲析、電滲析(ED)、液膜、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)及滲透蒸發(fā)( PV)等，下面分別介紹之。等，下面分別介紹之。3.7.8.1 微孔過濾技術微孔過濾技術1. 微孔過濾和微孔膜的特點微孔過濾和微孔膜的特點 微孔過濾技術始于十九

42、世紀中葉，是以靜壓差為微孔過濾技術始于十九世紀中葉，是以靜壓差為推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質膜的推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質膜的“篩分篩分”作用進行分作用進行分離的膜過程。實施微孔過濾的膜稱為微孔膜。離的膜過程。實施微孔過濾的膜稱為微孔膜。 微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90150m左右，過濾粒徑在左右，過濾粒徑在0.02510m之間，操作壓在之間，操作壓在0.010.2MPa。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微孔。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微孔膜約有膜約有13類，總計類，總計400多種。多種。 微孔膜的主要優(yōu)點為：微孔膜的主要優(yōu)點為： 孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有

43、大孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；于制定孔徑的微粒全部截留； 孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔孔/cm2，微孔體積占膜總體積的，微孔體積占膜總體積的7080。由。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質快于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質快幾十倍；幾十倍； 無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之間，因而吸附量很少，可忽略不計。之間，因而吸附量很少，可忽略不計。 無介質脫落。微孔膜為均一的高分子材料，無介質脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因

44、此能得到高純度的過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。濾液。 微孔膜的缺點：微孔膜的缺點： 顆粒容量較小，易被堵塞；顆粒容量較小，易被堵塞； 使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。常工作。2. 微孔過濾技術應用領域微孔過濾技術應用領域 微孔過濾技術目前主要在以下方面得到應用：微孔過濾技術目前主要在以下方面得到應用：（1）微粒和細菌的過濾?？捎糜谒母叨葍艋?、）微粒和細菌的過濾?？捎糜谒母叨葍艋⑹称泛惋嬃系某?、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣食品和飲料的除菌、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。凈化和除菌等。（2）微粒和細菌的檢測。微

45、孔膜可作為微粒和細）微粒和細菌的檢測。微孔膜可作為微粒和細菌的富集器，從而進行微粒和細菌含量的測定。菌的富集器，從而進行微粒和細菌含量的測定。（3）氣體、溶液和水的凈化。大氣中懸浮的塵埃、）氣體、溶液和水的凈化。大氣中懸浮的塵埃、 纖維、花粉、細菌、病毒等；溶液和水中存在纖維、花粉、細菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4）食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和啤、）食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和啤、黃酒等酒類進行過濾，可除去食糖中的雜質、酒類黃酒等酒類進行過濾，可除去食糖中的雜質、酒類中的酵母、霉菌和其他微生

46、物，提高食糖的純度和中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類產(chǎn)品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操酒類產(chǎn)品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操作，不會使酒類產(chǎn)品變味。作，不會使酒類產(chǎn)品變味。（5）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時，細菌的尸體仍留在用熱壓法。但是熱壓法滅菌時，細菌的尸體仍留在藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜有突出的優(yōu)點，經(jīng)過微孔膜過濾后，細菌被截留，有突出的

47、優(yōu)點，經(jīng)過微孔膜過濾后，細菌被截留，無細菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥無細菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥物的受熱破壞和變性。物的受熱破壞和變性。 許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的過濾技術難以達到要求，必須采用微濾技術。過濾技術難以達到要求，必須采用微濾技術。3.7.8.2 超濾技術超濾技術 1. 超濾和超濾膜的特點超濾和超濾膜的特點 超濾技術始于超濾技術始于 1861 年，其過濾粒徑介于微濾和年，其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間，約反滲透之間，約510 nm，在，在 0.10.5 MPa 的靜壓的靜壓差推動下截留各種可溶性大

48、分子，如多糖、蛋白質差推動下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質、酶等相對分子質量大于、酶等相對分子質量大于500的大分子及膠體，形成的大分子及膠體，形成濃縮液，達到溶液的凈化、分離及濃縮目的。濃縮液，達到溶液的凈化、分離及濃縮目的。 超濾技術的核心部件是超濾膜，分離截留的原理超濾技術的核心部件是超濾膜，分離截留的原理為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過膜上的微為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過膜上的微孔，而大于孔徑的微粒則被截留。膜上微孔的尺寸孔，而大于孔徑的微粒則被截留。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離效率。和形狀決定膜的分離效率。 超濾膜均為不對稱膜，形式有平板式、卷式、管超濾膜均為不

49、對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。超濾膜的結構一般由三層結構式和中空纖維狀等。超濾膜的結構一般由三層結構組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為為0.11.5m，其中細孔孔徑一般小于，其中細孔孔徑一般小于10nm；中；中間的過渡層，具有大于間的過渡層，具有大于10nm的細孔，厚度一般為的細孔，厚度一般為110m；最下面的支撐層，厚度為；最下面的支撐層，厚度為50250m，具有具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機械強度。膜的分離性能主要取決于表面提高膜的機械強度。膜的分離性能

50、主要取決于表面活性層和過度層?；钚詫雍瓦^度層。 中空纖維狀超濾膜的外徑為中空纖維狀超濾膜的外徑為0.52m。特點是。特點是直徑小，強度高，不需要支撐結構，管內(nèi)外能承受直徑小，強度高，不需要支撐結構，管內(nèi)外能承受較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜的內(nèi)表面積很大，能有效提高滲透通量。的內(nèi)表面積很大，能有效提高滲透通量。 制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質，如醋酸纖維素超濾膜適用于材質，如醋酸纖維素超濾膜適

51、用于pH = 38，三醋，三醋酸纖維素超濾膜適用于酸纖維素超濾膜適用于pH = 29，芳香聚酰胺超濾，芳香聚酰胺超濾膜適用于膜適用于pH = 59，溫度，溫度040，而聚醚砜超濾，而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過膜的使用溫度則可超過100。2. 超濾膜技術應用領域超濾膜技術應用領域 超濾膜的應用也十分廣泛，在作為反滲透預處超濾膜的應用也十分廣泛，在作為反滲透預處理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽極電泳漆和理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽極電泳漆和陰極電泳漆的生產(chǎn)、電子工業(yè)高純水的制備、工業(yè)陰極電泳漆的生產(chǎn)、電子工業(yè)高純水的制備、工業(yè)廢水的處理等眾多領域都發(fā)揮著重要作用。廢水的處理等眾多領域都

52、發(fā)揮著重要作用。 超濾技術主要用于含分子量超濾技術主要用于含分子量500500,000的微粒的微粒溶液的分離，是目前應用最廣的膜分離過程之一，溶液的分離，是目前應用最廣的膜分離過程之一，它的應用領域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。主它的應用領域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。主要可歸納為以下方面。要可歸納為以下方面。（1）純水的制備。超濾技術廣泛用于水中的細菌、）純水的制備。超濾技術廣泛用于水中的細菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無菌水等。子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無菌水等。（2）汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。汽）汽車、

53、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有12的涂料（高分子物質），用超濾裝置可分離出清的涂料（高分子物質），用超濾裝置可分離出清水重復用于清洗，同時又使涂料得到濃縮重新用于水重復用于清洗，同時又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。電泳涂裝。（3）食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超）食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超濾技術可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。濾技術可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。（4）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應用超濾技術）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應用超濾技術可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜

54、質，使果汁可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質，使果汁和酒在凈化處理的同時保持原有的色、香、味，操和酒在凈化處理的同時保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。作方便，成本較低。（5）在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質，分）在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質，分離濃縮生物活性物質，從生物中提取藥物等。離濃縮生物活性物質，從生物中提取藥物等。（6）造紙廠的廢水處理。）造紙廠的廢水處理。3.7.8.3 反滲透技術反滲透技術1. 反滲透原理及反滲透膜的特點反滲透原理及反滲透膜的特點 滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲

55、透分離物就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質。目前，反滲透技術已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使質。目前，反滲透技術已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用用的現(xiàn)代分離技術。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、的現(xiàn)代分離技術。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超超純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術有其他純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術有其他方方法不可比擬的優(yōu)勢。法不可比擬的優(yōu)勢。 滲透和反滲透的原理如滲透和反滲透的原理如圖圖3.7所示。如果用一所示。如果用一張只能透過水而不能透過溶質的半透膜將兩種不同張只能透過水而不能透過溶質的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜滲透從濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜

56、滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側遷移，這一現(xiàn)象低濃度水溶液向高濃度水溶液一側遷移，這一現(xiàn)象稱滲透稱滲透（圖（圖3.7a）。這一過程的推動力是低濃度溶。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學位與高濃度溶液中水的化學位之差，液中水的化學位與高濃度溶液中水的化學位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓。隨著水的滲透，高濃度水溶液表現(xiàn)為水的滲透壓。隨著水的滲透，高濃度水溶液一側的液面升高，壓力增大。當液面升高至一側的液面升高，壓力增大。當液面升高至H時，時，滲透達到平衡，兩側的壓力差就稱為滲透壓滲透達到平衡，兩側的壓力差就稱為滲透壓（圖（圖3.7b）。滲透過程達到平衡后，水不再有滲透，滲透滲透過程達到平衡后，水不

57、再有滲透，滲透通量為零。通量為零。 圖圖3.7 滲透與反滲透原理示意圖滲透與反滲透原理示意圖 如果在高濃度水溶液一側加壓，使高濃度水溶液如果在高濃度水溶液一側加壓，使高濃度水溶液側與低濃度水溶液側的壓差大于滲透壓，則高濃度側與低濃度水溶液側的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側，水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側，這一過程就稱為反滲透（圖這一過程就稱為反滲透（圖3.7c）。）。 反滲透技術所分離的物質的分子量一般小于反滲透技術所分離的物質的分子量一般小于500，操作壓力為操作壓力為 2100MPa。 用于實施反滲透操作的膜為反滲透膜。反滲透膜用于實施反滲透

58、操作的膜為反滲透膜。反滲透膜大部分為不對稱膜，孔徑小于大部分為不對稱膜，孔徑小于0.5nm，可截留溶質，可截留溶質分子。分子。 制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。 反滲透膜的分離機理至今尚有許多爭論，主要有反滲透膜的分離機理至今尚有許多爭論，主要有氫鍵理論、選擇吸附氫鍵理論、選擇吸附毛細管流動理論、溶解擴散毛細管流動理論、溶解擴散理論等。理論等。2. 反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透與超濾、微孔過濾的

59、比較 反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。一中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。一般來說，分離溶液中分子量低于般來說，分離溶液中分子量低于500的低分子物質，的低分子物質，應該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于應該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于500的大的大分子或極細的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分離溶分子或極細的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分離溶液中的直徑液中的直徑0.110m的粒子應該選微孔膜。以上的粒子應該選微

60、孔膜。以上關于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是關于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是十分嚴格、明確的，它們之間可能存在一定的相互十分嚴格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。重疊。 微孔過濾、超濾和反滲透技術的原理和操作特微孔過濾、超濾和反滲透技術的原理和操作特點比較如表所示。點比較如表所示。反滲透、超濾和微孔過濾技術的原理和操作特點比較反滲透、超濾和微孔過濾技術的原理和操作特點比較分離技術類型分離技術類型反滲透反滲透超濾超濾微孔過濾微孔過濾膜的形式膜的形式表面致密的非對稱膜、復合膜等表面致密的非對稱膜、復合膜等非對稱膜，表面有微孔非對稱膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料