第三章分離特性高分子ok

第三章分離特性高分子ok1第1頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月一、吸附分離功能高分子材料第2頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

吸附分離功能高分子主要包括離子交換樹脂和吸附樹脂。從廣義上講，吸附分離功能高分子還應(yīng)該包括高分子分離膜材料。但由于高分子分離膜在材料形式、分離原理和應(yīng)用領(lǐng)域有其特殊性，因此將在后面詳細介紹。第3頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

離子交換樹脂是指具有離子交換基團的高分子化合物。它具有一般聚合物所沒有的新功能——離子交換功能，本質(zhì)上屬于反應(yīng)性聚合物。

第4頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月吸附樹脂是指具有特殊吸附功能的一類樹脂吸附樹脂也是在離子交換樹脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類新型樹脂，是指一類多孔性的、高度交聯(lián)的高分子共聚物，又稱為高分子吸附劑。這類高分子材料具有較大的比表面積和適當(dāng)?shù)目讖?，可從氣相或溶液中吸附某些物質(zhì)。

第5頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月1、離子交換樹脂和吸附樹脂的分類1.1離子交換樹脂的分類

離子交換樹脂的分類方法有很多種，最常用和最重要的分類方法有以下兩種。（1）按交換基團的性質(zhì)分類

按交換基團性質(zhì)的不同，可將離子交換樹脂分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類。第6頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

陽離子交換樹脂可進一步分為強酸型、中酸型和弱酸型三種。如R—SO3H為強酸型，R—PO(OH)2為中酸型，R—COOH為弱酸型。習(xí)慣上，一般將中酸型和弱酸型統(tǒng)稱為弱酸型。

陰離子交換樹脂又可分為強堿型和弱堿型兩種。如R3-NCl為強堿型，R-NH2、R-NR’H和R-NR2為弱堿型。第7頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）按樹脂的物理結(jié)構(gòu)分類

按其物理結(jié)構(gòu)的不同，可將離子交換樹脂分為凝膠型、大孔型和載體型三類。不同物理結(jié)構(gòu)離子交換樹脂的模型第8頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月1）凝膠型離子交換樹脂

外觀透明、具有均相高分子凝膠結(jié)構(gòu)的離子交換樹脂統(tǒng)稱為凝膠型離子交換樹脂。這類樹脂表面光滑，球粒內(nèi)部沒有大的毛細孔。在水中會溶脹成凝膠狀，并呈現(xiàn)大分子鏈的間隙孔。在無水狀態(tài)下，凝膠型離子交換樹脂的分子鏈緊縮，體積縮小，無機小分子無法通過。所以，這類離子交換樹脂在干燥條件下或油類中將喪失離子交換功能。第9頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月2）大孔型離子交換樹脂大孔型離子交換樹脂外觀不透明，表面粗糙，為非均相凝膠結(jié)構(gòu)。即使在干燥狀態(tài)，內(nèi)部也存在不同尺寸的毛細孔，因此可在非水體系中起離子交換和吸附作用。大孔型離子交換樹脂的孔徑一般為幾納米至幾百納米，比表面積可達每克樹脂幾百平方米，因此其吸附功能十分顯著。第10頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月3）載體型離子交換樹脂

載體型離子交換樹脂是一種特殊用途樹脂，主要用作液相色譜的固定相。一般是將離子交換樹脂包覆在硅膠或玻璃珠等表面上制成。它可經(jīng)受液相色譜中流動介質(zhì)的高壓，又具有離子交換功能。此外，為了特殊的需要，已研制成多種具有特殊功能的離子交換樹脂。如螯合樹脂、氧化還原樹脂、兩性樹脂等。第11頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2吸附樹脂的分類吸附樹脂目前尚無統(tǒng)一的分類方法，通常按其化學(xué)結(jié)構(gòu)分為以下幾類。（1）非極性吸附樹脂

指樹脂中電荷分布均勻，在分子水平上不存在正負電荷相對集中的極性基團的樹脂。代表性產(chǎn)品為由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附樹脂。

（2）中極性吸附樹脂

這類樹脂的分子結(jié)構(gòu)中存在酯基等極性基團，樹脂具有一定的極性。第12頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）極性吸附樹脂

分子結(jié)構(gòu)中含有酰胺基、亞砜基、腈基等極性基團，這些基團的極性大于酯基。（4）強極性吸附樹脂

強極性吸附樹脂含有極性很強的基團，如吡啶、氨基等。第13頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月2.離子交換樹脂的命名

我國前石油化學(xué)工業(yè)部于1977年7月l日正式頒布了離子交換樹脂的部頒標準HG2-884-886-76《離子交換樹脂產(chǎn)品分類、命名及型號》。

這套標準中規(guī)定，離子交換樹脂的全名由分類名稱、骨架（或基團）名稱和基本名稱排列組成。第14頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

離子交換樹脂的基本名稱為離子交換樹脂。凡分類中屬酸性的，在基本名稱前加“陽”字；凡分類中屬堿性的，在基本名稱前加“陰”字。此外，為了區(qū)別離子交換樹脂產(chǎn)品中同一類中的不同品種，在全名前必須加型號。第15頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

離子交換樹脂的型號由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成

第一位數(shù)字代表產(chǎn)品分類；第二位數(shù)字代表骨架結(jié)構(gòu)；第三位數(shù)字為順序號.

用于區(qū)別離子交換樹脂樹脂中基團、交聯(lián)劑、致孔劑等的不同，由各生產(chǎn)廠自行掌握和制定。對凝膠型離子交換樹脂，往往在型號后面用“×”和一個阿拉伯樹脂相連，以表示樹脂的交聯(lián)度（質(zhì)量百分數(shù)），

而對大孔型樹脂，則在型號前冠以字母“D”。第16頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

各類離子交換樹脂的具體編號為：

001—099

強酸型陽離子交換樹脂

100—199

弱酸型陽離子交換樹脂

200—299

強堿型陰離子交換樹脂

300—399

弱堿型陰離子交換樹脂

400—499

螯合型離子交換樹脂

500—599

兩性型離子交換樹脂

600—699

氧化還原型離子交換樹脂第17頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

離子交換樹脂骨架分類編號第18頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如:D113樹脂是水處理應(yīng)用中用量很大的一種樹脂。從命名規(guī)定可知，這是—種大孔型弱酸型丙烯酸系陽離子交換樹脂；

001×10樹脂則是指交聯(lián)度為10%的強酸型苯乙烯系陽離子交換樹脂。我國有些生產(chǎn)廠在部頒標準制定前已開始生產(chǎn)離子交換樹脂，它們自己有一套編號，已經(jīng)為人們所熟悉和接受。因此，至今尚未改名。例如:

上海樹脂廠的735樹脂，相當(dāng)于命名規(guī)定中的001樹脂；

724樹脂相當(dāng)于命名規(guī)定中的110樹脂；

717樹脂相當(dāng)于命名規(guī)定中的201樹脂等等。第19頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月3.離子交換樹脂和吸附樹脂的功能

離子交換樹脂最主要的功能是離子交換，此外，它還具有吸附、催化、脫水等功能。吸附樹脂則以其巨大的表面積而具有優(yōu)異的吸附性為其主要功能。3.1離子交換功能

離子交換樹脂相當(dāng)于多元酸和多元堿，它們可發(fā)生下列三種類型的離子交換反應(yīng)。第20頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月中和反應(yīng)：第21頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)分解反應(yīng)：第22頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月中性鹽反應(yīng)：第23頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

從上面的反應(yīng)可見，所有的陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂均可進行中和反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)。僅由于交換功能基團的性質(zhì)不同，交換能力有所不同。中性鹽反應(yīng)則僅在強酸型陽離子交換樹脂和強堿型離子交換樹脂的反應(yīng)中發(fā)生。所有上述反應(yīng)均是平衡可逆反應(yīng)，這正是離子交換樹脂可以再生的本質(zhì)。只要控制溶液的pH值、離子濃度和溫度等因素，就可使反應(yīng)向逆向進行，達到再生的目的。第24頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2吸附功能吸附功能不同于離子交換功能，吸附量的大小和吸附的選擇性，決定于諸多因素，其中最主要決定于表面的極性和被吸附物質(zhì)的極性。吸附是范德華力的作用，因此是可逆的，可用適當(dāng)?shù)娜軇┗蜻m當(dāng)?shù)臏囟仁怪馕?/p>

樹脂的吸附功能隨樹脂比表面積的增大而增大。

第25頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3脫水功能

強酸型陽離子交換樹脂中的－SO3H基團是強極性基團，相當(dāng)于濃硫酸，有很強的吸水性。干燥的強酸型陽離子交換樹脂可用作有機溶劑的脫水劑。第26頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4催化功能

小分子酸和堿是許多有機化學(xué)反應(yīng)和聚合反應(yīng)的催化劑。離子交換樹脂相當(dāng)于多元酸和多元堿，也可對許多化學(xué)反應(yīng)起催化作用。與低分子酸堿相比，離子交換樹脂催化劑具有易于分離、不腐蝕設(shè)備、不污染環(huán)境、產(chǎn)品純度高、后處理簡單等優(yōu)點。如用強酸型陽離于交換樹脂可作為酯化反應(yīng)的催化劑。第27頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

除了上述幾個功能外，離子交換樹脂和大孔型吸附樹脂還具有脫色、作載體等功能。

如：利用大孔型樹脂的強吸附功能，將易于分解失效的催化劑AlC13等吸附在微孔中。在反應(yīng)過程中則逐步釋放出來以提高催化劑的效率。這也歸屬于樹脂的催化功能。第28頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5離子交換樹脂和吸附樹脂的應(yīng)用3.5.1離子交換樹脂的應(yīng)用（1）水處理

水處理包括水質(zhì)的軟化、水的脫鹽和高純水的制備等。水處理是離子交換樹脂最基本的用途之一。如下面是去離子水的制備裝置。第29頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）冶金工業(yè)

離子交換是冶金工業(yè)的重要單元操作之一。在鈾、釷等超鈾元素、稀土金屬、重金屬、輕金屬、貴金屬和過渡金屬的分離、提純和回收方面，離子交換樹脂均起著十分重要的作用。

第31頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）原子能工業(yè)

離子交換樹脂在原子能工業(yè)上的應(yīng)用包括核燃料的分離、提純、精制、回收等。用離子交換樹脂制備高純水，是核動力用循環(huán)、冷卻、補給水供應(yīng)的唯一手段。離子交換樹脂還是原子能工業(yè)廢水去除放射性污染處理的主要方法。第32頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）海洋資源利用

利用離子交換樹脂，可從許多海洋生物（例如海帶）中提取碘、溴、鎂等重要化工原料。在海洋航行和海島上，用離子交換樹脂以海水制取淡水是十分經(jīng)濟和方便的。第33頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）化學(xué)工業(yè)

離子交換樹脂在化學(xué)實驗、化工生產(chǎn)上已經(jīng)和蒸餾、結(jié)晶、萃取和過濾一樣，成為重要的單元操作，普遍用于多種無機、有機化合物的分離、提純，濃縮和回收等。離子交換樹脂用作化學(xué)反應(yīng)催化劑，可大大提高催化效率，簡化后處理操作，避免設(shè)備的腐蝕。第34頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）食品工業(yè)

離子交換樹脂在制糖、釀酒、煙草、乳品、飲料、調(diào)味品等食品加工中都有廣泛的應(yīng)用。特別在酒類生產(chǎn)中，利用離子交換樹脂改進水質(zhì)、進行酒的脫色、去渾、去除酒中的酒石酸、水楊酸等雜質(zhì)，提高酒的質(zhì)量。

第35頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）醫(yī)藥衛(wèi)生

離子交換樹脂在醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)中被大量應(yīng)用。如在藥物生產(chǎn)中用于藥劑的脫鹽、吸附分離、提純、脫色、中和及中草藥有效成分的提取等。離子交換樹脂本身可作為藥劑內(nèi)服，具有解毒、緩瀉、去酸等功效，可用于治療胃潰瘍、促進食欲、去除腸道放射物質(zhì)等。

對于外敷藥劑，用離子交換樹脂粉末可配制軟膏、粉劑及嬰兒護膚用品，用以吸除傷口毒物和作為解毒藥劑。第36頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

將各種藥物吸附在離子交換樹脂上，可有效地控制藥物釋放速率，延長藥效，減少服藥次數(shù)。離子交換樹脂還是醫(yī)療診斷、藥物分析檢定的重要藥劑，如血液成分分析、胃液檢定、藥物成分分析等。具有檢測速度快、干擾少等優(yōu)點。第37頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（8）環(huán)境保護

離子交換樹脂在廢水，廢氣的濃縮、處理、分離、回收及分析檢測上都有重要應(yīng)用，已普遍用于電鍍廢水、造紙廢水、礦冶廢水、生活污水，影片洗印廢水、工業(yè)廢氣等的治理。第38頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

如電鍍廢水中含有大量有毒的金屬氰化物，如Fe(CN)63-，F(xiàn)e(CN)64-等，用抗有機污染力強的聚丙烯酰胺系陰離子交換樹脂處理后，可使金屬氰化物的含量降至10ppm以下。第39頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2吸附樹脂的應(yīng)用

（1）有機物的分離

由于吸附樹脂具有巨大的比表面，不同的吸附樹脂有不同的極性，所以可用來分離有機物。例如，含酚廢水中酚的提取，有機溶液的脫色等等。

（2）在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用吸附樹脂可作為血液的清洗劑。這方面的應(yīng)用研究正在開展，已有搶救安眠藥中毒病人的成功例子。第40頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）藥物的分離提取

在紅霉索、絲裂霉素、頭孢菌素等抗菌素的提取中，已采用吸附樹脂提取法。由于吸附樹脂不受溶液pH值的影響，不必調(diào)整抗菌素發(fā)酵液的pH值，因此不會造成酸、堿對發(fā)酵液活性的破壞。

用吸附樹脂對中草藥中有效成分的提取研究工作正在開展，在人參皂甙、絞股蘭、甜葉菊等的提取中已取得卓著的成績。第41頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）在制酒工業(yè)中的應(yīng)用

吸附樹脂可選擇性地吸附酒中分子較大或極性較強的物質(zhì)，較小或極性軟弱的分子不被吸附而存留。如棕櫚酸乙酯、油酸乙酯和亞油酸乙酯等分子較大的物質(zhì)被吸附，而已酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯等相對分子質(zhì)量較小的香味物質(zhì)不被吸附而存留，達到分離、純化的目的。第42頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

思考題1.離子交換樹脂的類型,大孔型離子交換樹脂是如何制備的,其結(jié)構(gòu)與性能與凝膠型樹脂相比有什么特點?2.從離子交換樹脂的功能分析其可能的用途?3.分析影響離子交換樹脂性能的主要因素?第43頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月二、高分子功能膜第44頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月膜分離-半透膜指一類可以讓小分子物質(zhì)透過而大分子物質(zhì)不能通過的薄膜的總稱例如：細胞膜、膀胱膜、腸衣等第46頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月終端過濾第47頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月錯流過濾（CrossFiltration）第48頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月在啤酒工業(yè)中應(yīng)用第50頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月常見的分離方法篩分過濾萃取離心蒸餾重結(jié)晶柱層析膜分離色譜分離離子交換對于高層次的分離，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現(xiàn)的，或達不到精度，或需要損耗極大的能源而無實用價值。第51頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月膜分離的特點

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解。膜分離過程的主要特點是：以具有選擇透過性的膜作為分離的手段，實現(xiàn)物質(zhì)分子尺寸的分離和混合物組分的分離。膜分離過程的推動力有：壓力差、濃度差、和電位差等第52頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：果汁、酒的消毒與澄清澄清果蔬汁加工工藝超濾第53頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月茶飲料的制備第54頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月二、膜分離過程1）過濾分離

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，達到組分的分離。屬于過濾式膜分離的有

超濾（Ultrafiltration,UF，孔徑0.1~1um）、微濾(Microfiltration,MF,孔徑1~100nm)、納濾(Nanofiltration,NF，孔徑0.5~5nm)等；第56頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月反滲透（Reverseosmosis）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選擇吸附，溶解-擴散機理第58頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（0.2nm）Na+0.37nm第60頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月過濾式膜分離第61頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月2）滲析式膜分離

料液中的某些溶質(zhì)或離子在濃度差、電位差的推動下，透過膜進入接受液中，從而被分離出去。屬于滲析式膜分離的有滲析和電滲析等。

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第62頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月電滲析過程第63頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月++++++陽極－－－－－－陰極Cl-Na＋陽膜陽極室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋濃縮室淡化室濃縮室陰極室陰膜陽膜陰膜注意：離子交換膜的作用并不是起離子交換的作用，而是起離子選擇透過性作用。第64頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月海水的淡化第65頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

液膜與料液和接受液互不混溶，液液兩相通過液膜實現(xiàn)滲透，類似于萃取和反萃取的組合。溶質(zhì)從料液進入液膜相當(dāng)于萃取，溶質(zhì)再從液膜進入接受液相當(dāng)于反萃取。3）液膜分離第66頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月4）氣體透過利用微孔或無孔膜進行氣體分離，主要是溶解-擴散過程第67頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第68頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月成本低能耗少效率高無污染可回收利用有用物質(zhì)三、膜分離技術(shù)的優(yōu)點特別適用于性質(zhì)相似組分同分異構(gòu)體組分熱敏性組分生物物質(zhì)組分第69頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月四、膜分離技術(shù)的應(yīng)用

化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、電子、電力、冶金、輕紡、海水淡化等領(lǐng)域廣泛使用第70頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月海水過濾沉降鈉離子交換柱去除高價陽離子逆滲透濃水淡水第71頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月海水過濾沉降納濾逆滲透濃水閃蒸建議的新的工藝路線淡水淡水鹽第72頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月反滲透純水設(shè)備第73頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月1748年，耐克特（A.Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動地擴散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)開創(chuàng)了膜滲透的研究。1846年，Schonbem硝酸纖維制備微濾膜1861年，施密特（A.Schmidt）微孔過濾膜用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾，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菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子五、膜分離技術(shù)發(fā)展簡史第74頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月1935年，Teorell離子交換膜用于海水濃縮制鹽1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用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-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。美國Amicon公司首先將這種膜商品化。第75頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月50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。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。第76頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月1.按膜的材料分類

表6-1膜材料的分類類別膜材料舉例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等六、高分子功能膜的分類第77頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月2.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力的不同，可將其分為微孔膜、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。3.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，可將其分為對稱膜，不對稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中空纖維膜等。第78頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第79頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月非對稱性膜微孔對稱性膜第80頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物質(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現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機理如表6-2所示。七、膜分離過程的類型第81頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月表6-2幾種主要分離膜的分離過程膜過程推動力傳遞機理透過物截留物膜類型微濾壓力差顆粒大小形狀水、溶劑溶解物懸浮物顆粒纖維多孔膜超濾壓力差分子特性大小形狀水、溶劑小分子膠體和超過截留分子量的分子非對稱性膜納濾壓力差離子大小及電荷水、一價離子、多價離子有機物復(fù)合膜反滲透壓力差溶劑的擴散傳遞水、溶劑溶質(zhì)、鹽非對稱性膜復(fù)合膜第82頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月膜過程推動力傳遞機理透過物截留物膜類型滲析濃度差溶質(zhì)的擴散傳遞低分子量物、離子溶劑非對稱性膜電滲析電位差電解質(zhì)離子的選擇傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)離子交換膜氣體分離壓力差氣體和蒸汽的擴散滲透氣體或蒸汽難滲透性氣體或蒸汽均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜滲透蒸發(fā)壓力差選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜液膜分離濃度差反應(yīng)促進和擴散傳遞雜質(zhì)溶劑乳狀液膜支撐液膜續(xù)上表第83頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月八、膜材料及膜的制備膜材料

用作分離膜的材料包括天然的和人工合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求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。第84頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。第85頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月1.纖維素酯類膜材料

纖維素是由幾千個椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1,4-β-甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：第86頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

從結(jié)構(gòu)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，能與冰醋酸、醋酸酐進行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。

C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH

醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。第87頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第88頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月2.非纖維素酯類膜材料（1）非纖維素酯類膜材料的基本特性①分子鏈中含有親水性的極性基團；②主鏈上應(yīng)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；③化學(xué)穩(wěn)定性好；④具有可溶性；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。第89頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）主要的非纖維素酯類膜材料

（i）聚砜類

聚砜結(jié)構(gòu)中的特征基團為，為了引入親水基團，常將粉狀聚砜懸浮于有機溶劑中，用氯磺酸進行磺化。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、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜等。第90頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強度也很高，pH值適應(yīng)范圍為1～13，最高使用溫度達120℃，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，目前的代表品種有：第91頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第92頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

（ii）聚酰胺類早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍-66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分離率在80％～90％之間，但透水率很低，僅0.076ml/cm2·h。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，

pH適用范圍為3～11，分離率可達99.5％（對鹽水），透水速率為0.6ml/cm2·h。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團易與氯反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有較高要求。第93頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

DuPont公司生產(chǎn)的DP-I型膜即為由此類膜材料制成的，它的合成路線如下式所示：第94頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

類似結(jié)構(gòu)的芳香族聚酰胺膜材料還有：第95頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

（iii）芳香雜環(huán)類

①聚苯并咪唑類如由美國Celanese公司研制的PBI膜即為此種類型。這種膜材料可用以下路線合成：第96頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

②聚苯并咪唑酮類

這類膜的代表是日本帝人公司生產(chǎn)的PBLL膜，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為：

這種膜對0.5％NaCl溶液的分離率達90％～95％，并有較高的透水速率。第97頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

③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力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。第98頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

其中，Ar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易難聚酰亞胺溶解性差，制膜困難，因此開發(fā)了可溶性聚酰亞胺，其結(jié)構(gòu)為：第99頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

（iv）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離子膜等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強酸型陽離子交換膜。

磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離子聚合物膜。第100頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第101頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

（v）乙烯基聚合物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、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。第102頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月膜的制備

膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣的材料，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，其中最實用的是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。第103頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月膜分離裝置1）平板式用于UF的板框系統(tǒng)第104頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月進水透過水濃縮水耐壓容器透水板半透膜板框式膜組件工作過程示意圖特點：結(jié)構(gòu)簡單，體積比管式的小。缺點：裝卸復(fù)雜，單位體積膜表面積小。第105頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月密封密封密封2）螺旋卷式膜組件一個膜葉結(jié)構(gòu)示意圖多孔透水材料膜，上下兩層第106頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月膜葉透水網(wǎng)狀材料透過水濃水進水螺旋卷式膜組件組合示意圖第107頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月第108頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月膜組件的組裝示意圖進水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過液濃縮液第109頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置第110頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月3）中空纖維式反滲透膜組件中空纖維膜組件是由中空纖維膜制成的。中空纖維外徑50―200m，內(nèi)徑2542m。將數(shù)萬至數(shù)十萬根中空纖維制成膜束，膜束外側(cè)覆以保護性格網(wǎng)，內(nèi)部中間放置供分配原水用的多孔管，膜束兩端用環(huán)氧樹脂加固。將其一端切斷，使纖維膜呈開口狀，并在這一側(cè)放置多孔支撐板。將整個膜束裝在耐壓筒內(nèi)。第111頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

進水濃水透過水多孔進水管濃水出口淡水出口密封中空纖維膜外徑50－200μ內(nèi)徑25－42μ密封耐壓容器中空纖維反滲透組件簡圖第112頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月膜斷面圖

第113頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、滲析(D)、電滲析(ED)、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)(PV)等，下面分別介紹之。9.1微孔過濾技術(shù)1.微孔過濾和微孔膜的特點微孔過濾技術(shù)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(zhì)膜的“篩分”作用進行分離的膜過程。實施微孔過濾的膜稱為微孔膜。九、典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域第114頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，過濾粒徑在0.025～10μm之間，操作壓在0.01～0.2MPa。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微孔膜約有13類，總計400多種。

微孔膜的主要優(yōu)點為：

①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；

②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍；第115頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

③無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之間，因而吸附量很少，可忽略不計。

④無介質(zhì)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，因此能得到高純度的濾液。

微孔膜的缺點：

①顆粒容量較小，易被堵塞；

②使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。第116頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月2.微孔過濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

微孔過濾技術(shù)目前主要在以下方面得到應(yīng)用：（1）微粒和細菌的過濾?？捎糜谒母叨葍艋?、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。（2）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。第117頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）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、黃酒等酒類進行過濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類中的酵母、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。由于是常溫操作，不會使酒類產(chǎn)品變味。第118頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）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，微孔膜有突出的優(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)的過濾技術(shù)難以達到要求，必須采用微濾技術(shù)。第119頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月1.超濾和超濾膜的特點超濾技術(shù)始于1861年，其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間，約5～10nm，在0.1～0.5MPa的靜壓差推動下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質(zhì)、酶等相對分子質(zhì)量大于500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。超濾技術(shù)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。9.2超濾技術(shù)第120頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

超濾膜均為不對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。超濾膜的結(jié)構(gòu)一般由三層結(jié)構(gòu)組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1～1.5μm，其中細孔孔徑一般小于10nm；中間的過渡層，具有大于10nm的細孔，厚度一般為1～10μm；最下面的支撐層，厚度為50～250μm，具有50nm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活性層和過度層。第121頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

中空纖維狀超濾膜的外徑為0.5～2μm。特點是直徑小，強度高，不需要支撐結(jié)構(gòu)，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、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質(zhì)，如醋酸纖維素超濾膜適用于pH=3～8，三醋酸纖維素超濾膜適用于pH=2～9，芳香聚酰胺超濾膜適用于pH=5～9，溫度0～40℃，而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過100℃。第122頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月2.超濾膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域超濾膜的應(yīng)用也十分廣泛，在作為反滲透預(yù)處理、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)廢水的處理等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。超濾技術(shù)主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分離，是目前應(yīng)用最廣的膜分離過程之一，它的應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。主要可歸納為以下方面。第123頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）純水的制備。超濾技術(shù)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。汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有1％～2％的涂料（高分子物質(zhì)），用超濾裝置可分離出清水重復(fù)用于清洗，同時又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。（3）食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超濾技術(shù)可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。第124頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應(yīng)用超濾技術(shù)可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質(zhì)，使果汁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。（5）在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質(zhì)，分離濃縮生物活性物質(zhì)，從生物中提取藥物等。（6）造紙廠的廢水處理。第125頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3反滲透技術(shù)1.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。人類很早以前就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質(zhì)。目前，反滲透技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用的現(xiàn)代分離技術(shù)。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術(shù)有其他方法不可比擬的優(yōu)勢。第126頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

滲透和反滲透的原理如圖所示。如果用一張只能透過水而不能透過溶質(zhì)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低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷移，這一現(xiàn)象稱滲透（圖a）。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學(xué)位與高濃度溶液中水的化學(xué)位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓。隨著水的滲透，高濃度水溶液一側(cè)的液面升高，壓力增大。當(dāng)液面升高至H時，滲透達到平衡，兩側(cè)的壓力差就稱為滲透壓（圖b）。滲透過程達到平衡后，水不再有滲透，滲透通量為零。第127頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月滲透與反滲透原理示意圖第128頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液側(cè)與低濃度水溶液側(cè)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(cè)，這一過程就稱為反滲透（圖c）。反滲透技術(shù)所分離的物質(zhì)的分子量一般小于500，操作壓力為2～100MPa。用于實施反滲透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0.5nm，可截留溶質(zhì)分子。第129頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，主要有氫鍵理論、選擇吸附-毛細管流動理論、溶解擴散理論等。第130頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年2月

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500的低分子物質(zhì)，應(yīng)該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于500的大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0.1～10μm的粒子應(yīng)該選微孔膜。以上關(guān)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重疊。反滲透與超濾、微孔過濾的比較第131頁，課件共141頁，創(chuàng)作于2023年