膜表征方法簡介

關(guān)于膜表征方法簡介

膜表面和斷面結(jié)構(gòu)：電子顯微鏡，原子力顯微鏡孔徑和孔徑分布：泡壓法，濾速法，壓汞法，干濕膜空氣濾速法，電子顯微鏡觀測法截留率：溶質(zhì)截留率測定法（用于UF）孔隙率：干、濕膜質(zhì)量差法脫鹽率、水通量、膜的壓密性（用于RO）膜的親水性和疏水性：測定接觸角法膜的荷電性：交換容量C，膜電阻Rm，膜電位Em膜結(jié)構(gòu)與性能的表征方法第2頁,共16頁，2024年2月25日，星期天電子顯微鏡法電子顯微鏡是用于膜表征的一種設(shè)備，可以分成兩種：掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）。對于研究和表征微濾膜的多孔結(jié)構(gòu)，可以對膜的表面和橫斷面進行觀察。簡單電子顯微鏡的分辨率為0.01μm(10nm)，更高級電子顯微鏡的分辨率可達5nm左右（微濾膜的孔徑為0.1~10μm）。掃描電子顯微鏡是用于表征微濾膜的簡單而有效的儀器。對表層、橫斷面和底層可得到清晰又簡潔的圖象。第3頁,共16頁，2024年2月25日，星期天原理：一束動能為1-25V的入射電子（又稱為一次電子）撞擊在膜試樣上，從試樣表面原子中撞擊出二次電子，這些二次電子在檢測器的屏幕上形成一定的圖象。為避免試樣被燒壞，可在表面上覆蓋一層導(dǎo)電層防止表面帶電，通常用金制薄層，即噴金。

掃描電子顯微鏡原理示意圖第4頁,共16頁，2024年2月25日，星期天SEM法觀察到的聚醚酰胺膜的表層（放大倍數(shù)3000）不對稱聚砜超濾膜橫截面第5頁,共16頁，2024年2月25日，星期天原子力顯微鏡-AFM原子力顯微鏡（AFM）是一種檢測表面結(jié)構(gòu)的方法，根據(jù)AFM圖象的橫截面可以得到孔徑及孔隙率，這種方法的優(yōu)點是試樣無需預(yù)處理，且可在大氣條件下進行測量，其缺點在于，如表面粗糙會使檢測結(jié)果很難分析。此外，作用力較大時有可能損壞聚合物的結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡是用來表征膜表面的一種新方法。直徑小于10nm的非常尖的探針以恒定的力掃過被測表面時，樣品表面和微型力敏感元件之間極微弱的原子會發(fā)生相互作用力，通過檢測這些力就可得到樣品表面的掃描結(jié)果。運用微懸臂，可以實現(xiàn)在很小相互作用力下的檢測，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。第6頁,共16頁，2024年2月25日，星期天泡壓法泡壓法是測定微孔濾膜最大孔徑和平均孔徑法方法。這種方法的原理是測定氣體通過充滿液體的膜所需要的壓力。膜的上面與液體（如水）接觸，并且所有膜孔內(nèi)都充滿液體，使膜潤濕，過濾器底部與空氣相連，當?shù)獨鈮毫χ饾u增大到一定量時，氣泡會通過膜。當膜面出現(xiàn)第一個氣泡時所對應(yīng)的壓力，就是膜最大孔徑的壓力，膜上氣泡出現(xiàn)最多是所對應(yīng)的壓力為膜的最小孔徑壓力。壓力與孔半徑之間的關(guān)系由Laplace方程確定。泡壓法原理r為毛細管孔半徑，m；γ為液體/空氣界面的表面張力（N/m）第7頁,共16頁，2024年2月25日，星期天濾速法假設(shè)存在毛細管孔利用Hagen-Poiseuille方程通過測量在一定壓力下通過膜的通量可得到孔徑。通過改變壓力即將泡點法和滲透法相結(jié)合，可以測定孔徑分布。Q:透過膜的液體流量；n:孔密度；r:孔半徑；S:有效膜面積；△p:應(yīng)用壓力；t:液體透過膜量所用的時間；η:滲透液粘度；d:毛細孔長度，即膜的厚度第8頁,共16頁，2024年2月25日，星期天通過上式計算出膜的水滲透率即膜的水通量。帶入膜的孔隙率膜的孔半徑：濾速法的裝置和泡壓法相反，將膜置于測試池中，逐漸升壓使液體（一般是水）通過被測的膜，在排出所有氣泡后，使壓力升至一定值，在規(guī)定時間內(nèi)收集透過膜的液體量。濾速法是在膜上面加壓，而泡壓法是在膜下面加壓。只要測量膜的厚度，就可以通過透過膜的液體量和孔隙率，根據(jù)上式計算出膜的孔半徑。第9頁,共16頁，2024年2月25日，星期天壓汞法壓汞法是把汞注入干膜中，并在不同壓力下測定汞的體積。壓力和孔徑的關(guān)系仍滿足Laplace方程。由于汞不同潤濕膜（接觸角大于90度），汞與聚合物材料的接觸角一般為141.3度，汞/空氣界面的表面張力為0.48N/m，因此Laplace變?yōu)椋涸谝欢▔毫ο鹿瘽B入膜微孔中，汞位的變化反應(yīng)了樣品膜中汞體積的變化，它通過鉑電極電阻的變化來表示，由各壓力下汞進入膜樣品的累積體積，可得孔徑-孔百分比的累積曲線，微分后得到孔徑分布曲線壓汞法膜孔徑積分和微分曲線第10頁,共16頁，2024年2月25日，星期天干濕膜空氣濾速法當空氣通過干膜時，滲透流率隨壓力增加呈線性關(guān)系；而通過濕膜時，在泡點壓力處僅最大孔徑有氣體通過；當壓力再逐漸增加時，才能使越來越多的孔打開通道讓氣體從中通過。流速-壓力關(guān)系如圖所示，平均孔徑所對應(yīng)的壓力是指通過濕膜的滲透流率僅為干膜的一半時所用的壓力。將濕膜的曲線微分就可得到孔徑分布曲線。氣體流速-氣體壓力關(guān)系圖第11頁,共16頁，2024年2月25日，星期天溶質(zhì)截留率測定法超濾膜的分離效率通常用截留率來表示，是指對一定相對分子質(zhì)量的物質(zhì)截留的程度，其公式如下：其中，R為膜的截留率；cf為進液濃度即原液濃度，cp為透過膜液的濃度即產(chǎn)液的濃度。通常把能截留90%某種物質(zhì)的相對分子量作為該膜的截留范圍，稱為截留相對分子量。超濾膜的孔徑范圍從0.001-0.02μm，截留相對分子質(zhì)量一般從1000到100000左右。第12頁,共16頁，2024年2月25日，星期天脫鹽率實際應(yīng)用中反滲透中用以表示膜的分離性能的最常的指標是脫鹽率，表明膜能脫除水溶液中鹽的百分數(shù)，一般用R（Rejection）表示。有兩種表示方法R0=（1-C3/C1）×100%Rr=（1-C3/C2）×100%Rr-膜的真實脫鹽率R0-膜的表觀脫鹽率C1-膜高壓側(cè)水溶液中溶質(zhì)的本體濃度，g/cm3由于在反滲透過程中存在著濃差極化現(xiàn)象，所以-C2>C1,R0>Rr。在實驗中一般難以測得膜高壓側(cè)界面上的濃度，所以實際應(yīng)用中都以R0計算。第13頁,共16頁，2024年2月25日，星期天水通量反滲透膜的水通量也稱透水速率或水滲透流率。單位時間內(nèi)通過單位膜面積的水體積流量，它表示反滲透膜的透量大小，表達式為：Fw=A(Δp-Δπ)A-膜的純水滲透系數(shù)，表示膜中水的滲透能力，cm3/(cm2s.MPa)Δp-膜兩側(cè)的壓力差，MPaΔπ-膜兩側(cè)的滲透壓差，MPa特別地，超濾膜的水通量，其表示方法與反滲透膜納濾膜相同，鑒于濃差極化對膜的透水速率影響極大，故超濾膜的水通量常用純水透過速率來表示膜水通量的大小。第14頁,共16頁，2024年2月25日，星期天膜的壓密性反滲透一般在較高壓力下運行，高分子膜長期處在壓力下，膜結(jié)構(gòu)會發(fā)生被壓密的現(xiàn)象，壓密現(xiàn)象進而導(dǎo)致膜的水通量變小?？捎昧髁克p系數(shù)（壓密斜率）表示：Ft=Fi×tm其中Fi和Ft分別表示運行t小時和初始（1或2