第八章高分子功能膜材料

1、第八章高分子功能膜材料,膜科學(xué)是一門新興學(xué)科，研究的內(nèi)容包括膜的化學(xué)組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系、膜的形成方法、加工技術(shù)工藝、膜分離機(jī)制以及應(yīng)用開發(fā)等諸多方向。同時膜科學(xué)也是一種交叉學(xué)科，采用了大量化學(xué)、物理、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究成果，這些成果給膜科學(xué)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動力。,膜是一種二維材料，廣泛存在于自然界中，它具有分隔、分離和選擇性透過的功能。 幾種單質(zhì)混合形成混合物的過程，是熵降低的過程，一般不需要能量。相反，從混合物分離出各個組分，例如，從乙醇和水的混合溶液中，分離出乙醇和水，需要蒸餾分離；對固液分離，需要濃縮。這些均涉及相變，需消耗能量。 膜分離過程是一種不涉及相變、新

2、型的節(jié)能分離方法。其驅(qū)動力為壓力、電場。為了加速傳質(zhì)過程，有時需要加熱，總的來說，能量消耗較低。,膜分離原理 被分離物質(zhì)從膜的一側(cè)，克服膜的阻力，透過膜，擴(kuò)散到膜的另一側(cè)。有的物質(zhì)容易透過膜，有的物質(zhì)則較困難。膜的這種分離機(jī)理，目前大致可為： (1)機(jī)械過濾作用。分離膜上有孔，其孔徑大小和孔尺寸的分布，決定了它的分離功能。被分離物質(zhì)尺寸大于孔徑的，則難以通過膜。所以被分離物質(zhì)能否通過膜，還取決于被分離物質(zhì)的尺寸，包括長度、體積和形狀。,(2)溶解擴(kuò)散作用。當(dāng)某一種物質(zhì)在膜材料中具有一定的溶解度時，在驅(qū)動力的作用下，溶解的物質(zhì)能夠在膜中擴(kuò)散運動，從膜的一側(cè)擴(kuò)散到另一側(cè)，再從膜擴(kuò)散到另一側(cè)的溶液中

3、。 (3)物質(zhì)交換作用。被分離的物質(zhì)與膜上的某一物質(zhì)交換，例如Na+與陽離子交換膜上H+發(fā)生交換，然后從膜的另一側(cè)擴(kuò)散到溶液中。,高分子功能膜材料分類,Contents,一、高分子分離膜的分類,1. 按來源,1根據(jù)被分離物質(zhì)性質(zhì)不同分類 (1)氣體分離膜，用于混合氣體的分離。 (2)液體分離膜，用于液體物質(zhì)的分離。 (3)離子分離膜，用于離子的分離。例如，用于海水、苦水純化用的離子交膜。 (4)微生物分離膜，用于微生物的分離。例如，除去水中細(xì)菌用膜。,2根據(jù)被分離物質(zhì)粒子大小分類,被分離粒子的大小，可使用孔徑大小不同的膜。根據(jù)膜上的孔徑大小，可分為 超細(xì)濾膜(hypenfiltration m

4、embrane，HFM)， 超濾膜(ultrafiltration membrane，UFM)； 微濾膜(microfitration membrane，MFM),3根據(jù)膜的形成過程分類,根據(jù)制備膜的方法和膜的形成過程，可以將膜分為， 沉淀膜(deposited film) 熔融拉伸膜(melt-extruded film)、 溶劑注膜(solventcast film)、 界面膜(interface film)、 動態(tài)形成膜(dynamically formed membrane)。,4根據(jù)膜性質(zhì)不同分類,密度膜(dense membrane)，是指膜上幾乎不存在人為的微孔。 相變形成膜(p

5、hase-inversion membrane)，是采用相變方法制成的膜。 乳化膜(emulsion-type membrane)。在界面膜的是乳化膜。 多孔膜(porous membrane)，是指具有孔結(jié)構(gòu)的高分子分離膜。,5從膜的宏觀外形分類 (1)管狀膜 (2)中空纖維 外徑在50300um之間，壁厚在20um左右 (3)平面型分離膜,膜分離過程與機(jī)制,膜分離過程與機(jī)制 作為分離用膜，兩個最重要的指標(biāo)是膜的透過性和選擇性。 透過性是指測定物質(zhì)單位時間透過單位面積分離膜的絕對量 選擇性是指在同等條件下測定物質(zhì)透過量與參考物質(zhì)透過量之比。 前者標(biāo)志著膜分離速度，后者標(biāo)志膜分離質(zhì)量。,膜分離

6、機(jī)制 (1)過篩分離機(jī)制 (2)溶解擴(kuò)散機(jī)制 (3)選擇性吸附機(jī)制,2膜分離過程的驅(qū)動力,(1)濃度差驅(qū)動力 (2)壓力差驅(qū)動力 (3)電場驅(qū)動力 (4)化學(xué)勢驅(qū)動力,高分子分離膜制備材料和制備方法,高分子分離膜制備材料,(1)天然高分子材料類 改性纖維素及其衍生物類 (2)聚烯烴類 包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺等。疏水性強(qiáng)，耐熱性較差，主要用于制備微濾超濾、密度膜等。 (3)聚酰胺類 包括尼龍66、聚酰亞胺等，突出特點是機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，特別是高溫性能優(yōu)良，適合制作需要高機(jī)械強(qiáng)度場合的分離膜。,(4)聚砜類 具有耐熱性、疏水性、耐腐蝕性，以及良好的機(jī)械強(qiáng)度，適合

7、制作超濾、微濾和氣體分離膜，井用于制作復(fù)合膜的底膜 (5)含氟高分子材料 包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、Nafion等其突出特點是耐腐蝕性能突出，適合用于電解等高腐蝕場合的膜材料。 (6)有機(jī)硅聚合物類 具有耐熱、抗氧化、耐酸堿等性質(zhì)，是一種新型分離膜制備材料。 (7)高分子電解質(zhì)類 主要是全氟取代的磺酸樹脂和全氟羧酸樹脂。是制備離子交換分離膜的主要材料，適合在高腐蝕環(huán)境下使用，特別是氯堿工業(yè)中的膜法工藝路線,高分子功能膜的制備方法 膜制備原料的合成、成膜工藝和膜功能的形成三部分， 其中原料的合成屬于化學(xué)過程，成膜工藝和膜功能形成屬于物理過程或物理化學(xué)過程。從總體上來講，除使用單體進(jìn)行原位聚合直

8、接形成功能膜外，膜的制作工藝包括聚合物合成，聚合物溶液(或熔體)制備，膜成型和膜的功能化幾個具體步驟。,高分子分離膜的制備 密度膜 聚合物溶液注膜成型 熔融拉伸成膜 直接聚合成膜,聚合物溶液的制備,高分子分離膜的制備 多孔膜 相轉(zhuǎn)移法 干法成膜 濕法成膜 熱法相變成膜 聚合物輔助相轉(zhuǎn)變 粉末燒結(jié)法 拉伸致孔法 離子交換膜 異相，均相，復(fù)合,描述分離膜特性的物理量 透過性是指單位時間內(nèi)，被分離物質(zhì)通過單位面積膜的量。例如氣體，它在單位時間內(nèi)通過單位面積的速率為 式中，D和s分別為氣體在膜中的擴(kuò)散系數(shù)和溶解系數(shù)；d為膜厚；P1，P2：分別為膜兩側(cè)的氣體壓力。,影響膜透過性的因素： (1)高分子材料

9、的組成和結(jié)構(gòu)。 (2)被分離物質(zhì)在高分子膜的溶解性能 (3)分離膜的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu) (4)被透過物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)。,選擇性分離系數(shù),是指在相同條件下，兩種物質(zhì)的透過量之比。例如單位時間內(nèi)，A和B物質(zhì)通過單位面積的量分別為QA和QB，透過選擇性則為。,影響滲透選擇性系數(shù)的因素,(1)聚合物的化學(xué)性質(zhì)和官能團(tuán) (2)聚合物與被分離物質(zhì)的相互作用力 (3)高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) (4)膜的孔大小和分布決定了通過膜的分子大小,膜電位,被膜隔開的兩電解質(zhì)溶液，其電位是不一樣的，其電位差稱為膜電位。 形成的原因是，在濃度差擴(kuò)散力的驅(qū)動下，起初少量的陰或陽離子通過膜遷移到另一側(cè)的溶液中，造成膜兩側(cè)

10、溶液間存在電位差，它阻止離子進(jìn)一步遷移。電位差的 大小與離子的性質(zhì)，膜的特性、厚度、橫截面積有關(guān)。與膜的形狀無關(guān),反滲透壓,當(dāng)某一種高分子分離膜把含有相同溶質(zhì)分子的濃溶液和稀溶液隔開，溶質(zhì)分子不能通過膜時，溶劑分子將從稀溶液向濃溶液擴(kuò)散。其擴(kuò)散力與兩溶液之間的濃度差成正比。滲透未開始前，兩毛細(xì)管的液面高度是一樣的。滲透壓使?jié)馊芤阂贿叺拿?xì)管液面上升，直到兩液面差形成的靜壓與滲透壓平衡為止。這時，兩毛細(xì)管的液面差，稱之為反滲透壓,產(chǎn)生反滲進(jìn)壓的原因,處于稀、濃溶液的膜溶脹程度不一樣，在稀溶液一側(cè)的膜溶脹大，產(chǎn)生的溶脹壓大；處于濃溶液一側(cè)的膜溶脹小，溶脹壓小。溶脹壓差將溶劑分子推向濃溶液，產(chǎn)生負(fù)反滲透壓。另一方面，理論上，反滲透壓膜不能透過溶質(zhì)分子。少量的陽、陰離子在膜中擴(kuò)散是不可避免的。當(dāng)它們在膜中遷移時，陽、陰離子遷移速度相差很大時，就會形成擴(kuò)散電位。如果陽離子擴(kuò)散快，會推動膜中帶電的水化陰離子向濃溶液擴(kuò)散，形成正反滲透壓；若陰離子遷移速度快，電場造成相反的效應(yīng)，把孔中的液體拉向稀溶液，則產(chǎn)生了負(fù)反滲透壓。,高分子分離膜的應(yīng)用氯堿工業(yè)中,工業(yè)中脫檸檬酸,光學(xué)高分子膜,高分子氣體分離膜,O2/N2分離 氣體分離膜,水資源的再利用 有機(jī)液混合體系的分離 苯與環(huán)己烷混合物的分離 環(huán)己酮/環(huán)己醇/環(huán)己烷混合物的分離,高分子Lan