【正文】 非極性膜大多被用于分離 烴類有機(jī)物 ，如苯與環(huán)己烷、二甲苯異構(gòu)體，甲苯 與庚烷以及甲苯與醇類等，但選擇性一般較低。但這類膜的機(jī)械 強(qiáng)度較低，往往被水溶液溶脹后失去機(jī)械性能。 普遍認(rèn)為， 對(duì)于含水體系，在膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)中保持 一種親水與憎水基團(tuán)的適當(dāng)比例是重要的 。例如要使 A組 分透過膜而使 B組分滯留，則要選擇一種膜使 ΔδAM/ΔδBM最小。滲透過程取決于組分與膜之間的相互 作用，這種作用因素可歸納為四個(gè)方面： 色散力、 偶極力、氫鍵和空間位阻 。 58 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 2. 制備滲透蒸發(fā)膜的材料 （ 1）滲透蒸發(fā)膜材料的選擇 對(duì)于滲透蒸發(fā)膜來(lái)說(shuō)，是否具有良好的選擇性 是首先要考慮的。 BABAXXYY//??57 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 滲透蒸發(fā)膜的性能是由膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié) 構(gòu)決定的。 54 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 圖 2— 6a 滲透蒸發(fā)分離示意圖 (真空氣化 ) 液 相 室氣 相 室膜真 空 泵冷 凝 液冷 凝 器55 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 圖 2— 6b 滲透蒸發(fā)分離示意圖 (惰性氣體吹掃 ) 液 相 室氣 相 室膜冷 凝 液冷 凝 器惰 性 氣 體惰 性 氣 體 凈 化 利 用56 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 滲透蒸發(fā)操作所采用的膜為致密的高分子膜?；旌衔锿ㄟ^高分子膜的選擇滲透， 其中某一組分滲透到膜的另一側(cè)。具有 一 次分離度高、操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、低能耗 等特點(diǎn)。但 Nafion膜價(jià) 格昂貴（ 700美元 /m2），故近年來(lái)正在加速開發(fā) 磺 化芳雜環(huán)高分子膜 ，用于氫氧燃料電池的研究，以 期降低燃料電池的成本。全 氟磺酸膜（ Nafion） 以化學(xué)穩(wěn)定性著稱，是目前為 止唯一能同時(shí)耐 40％ NaOH和 100℃ 溫度的離子交換 膜，因而被廣泛應(yīng)用作食鹽電解制備氯堿的電解池 隔膜。我國(guó)的電滲析 裝置主要由國(guó)家海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心生 產(chǎn)，現(xiàn)可提供 200m3/d規(guī)模的海水淡化裝置。陽(yáng)離子交換膜 允許 Na+滲透進(jìn)入陽(yáng)極室，同時(shí)阻攔了氫氧根離子 向陰極的運(yùn)動(dòng)，在陽(yáng)極室的反應(yīng)是： 2 Na+ + 2 H2O + 2 e = 2 NaOH + H2 在陰極室的反應(yīng)為： 2 Cl－ － 2 e = Cl2 48 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 用 氟代烴單極或雙極膜 制備的的電滲析器已成 為用于制備氫氧化鈉的主要方法，取代了其他制備 氫氧化鈉的方法。在直流電場(chǎng)的作 用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇 透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)溶液的 淡化、濃縮及鈍化；也可通過電滲析實(shí)現(xiàn)鹽的電 解，制備氯氣和氫氧化鈉等。 普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對(duì)一價(jià) 離子的選擇性滲透進(jìn)行海水濃縮脫鹽；雙極離子交 換膜由陽(yáng)離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，主 要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽(yáng) 離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進(jìn)行鹽的濃縮、 有機(jī)物質(zhì)的分離等。由于該技術(shù)對(duì)低價(jià)離子與高價(jià)離子的分離特 性良好，因此在硬度高和有機(jī)物含量高、濁度低的 原水處理及高純水制備中頗受矚目；在食品行業(yè) 中，納濾膜可用于 果汁生產(chǎn) ，大大節(jié)省能源；在醫(yī) 藥行業(yè)可用于 氨基酸生產(chǎn)、抗生素回收 等方面；在 石化生產(chǎn)的 催化劑分離回收 等方面更有著不可比擬 的作用。其被分離 物質(zhì)的尺寸介于反滲透膜和超濾膜之間，但與上述 兩種膜有所交叉。 （ 3）印染、食品、造紙等工業(yè)中用于處理污水 ，回 收利用廢業(yè)中有用的物質(zhì)等。 （ 1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水軟化 制備鍋爐用水，高純水的制備 。 36 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 微孔過濾、超濾和反滲透技術(shù)的原理和操作特 點(diǎn)比較如表 2— 3所示。 反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭(zhēng)論，主要有 氫鍵理論、選擇吸附 — 毛細(xì)管流動(dòng)理論、溶解擴(kuò)散 理論等。 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。隨著水的滲透，高濃度水溶液 一側(cè)的液面升高，壓力增大。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(shì)。 （ 6）造紙廠的廢水處理。 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。 超濾技術(shù)廣泛用于水中的細(xì)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(wú)菌水等。 27 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 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(yáng)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。特點(diǎn)是 直徑小，強(qiáng)度高，不需要支撐結(jié)構(gòu)，管內(nèi)外能承受 較大的壓力差。即最上層的 表面活性層 ，致密而光滑，厚度 為 ～ ，其中細(xì)孔孔徑一般小于 10nm；中 間的 過渡層 ，具有大于 10nm的細(xì)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。 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。對(duì)于這類情況，微孔膜 有突出的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過微孔膜過濾后，細(xì)菌被截留， 無(wú)細(xì)菌尸體殘留在藥物中。 23 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) （ 5）藥物的除菌和除微粒。 大氣中懸浮的塵埃、 纖維、花粉、細(xì)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。 可用于水的高度凈化、 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。 ④ 無(wú)介質(zhì)脫落。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。實(shí)施微孔過濾的膜稱為 微孔膜 。從品種來(lái)說(shuō)， 已有成百種以上的膜被制備出來(lái)，其中約 40多種已 被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。 14 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 膜分離過程的類型 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。 由于膜分離技術(shù)具有高效、節(jié)能、高選擇、多 功能等特點(diǎn)，分離膜已成為上一世紀(jì)以來(lái)發(fā)展極為 迅速的一種功能性高分子。 80年代 氣體分離膜 的研制成功， 使功能膜的地位又得到了進(jìn) — 步提高。 9 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 自上世紀(jì) 60年代中期以來(lái)，膜分離技術(shù)真正實(shí) 現(xiàn)了工業(yè)化。 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。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過濾應(yīng)稱為 微孔過濾 。 1748年， 耐克特（ A. Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒 精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了 膜滲透 的研究。并且膜技術(shù)還可以和常規(guī)的分離方法結(jié)合 起來(lái)使用，使技術(shù)投資更為經(jīng)濟(jì)。 溶質(zhì) 從料液進(jìn)入液膜相當(dāng)于萃取，溶質(zhì)再?gòu)囊耗みM(jìn)入接 受液相當(dāng)于反萃取 。膜分離過程 的推動(dòng)力有 濃度差、壓力差和電位差 等。 在化工單元操作中，常見的分離方法有 篩分、 過濾、蒸餾、蒸發(fā)、重結(jié)晶、萃取、離心分離 等。分離膜對(duì)流體可以是完全透過性的，也可以 是半透過性的，但不能是完全不透過性的。1 第二章 高分子分離膜與膜分離技術(shù) 概述 分離膜與膜分離技術(shù)的概念 分離膜是指能以特定形式限制和傳遞流體物質(zhì) 的分隔兩相或兩部分的界面。膜至少具有兩個(gè)界面， 膜通過這兩個(gè)界面與被分割的兩側(cè)流體接觸并進(jìn)行 傳遞。分 離的類型包括同種物質(zhì)按不同大小尺寸的分離；異 種物質(zhì)的分離；不同物質(zhì)狀態(tài)的分離等。 膜分離過程的主要特點(diǎn)是 以具有選擇透過性的膜作為分離的手段，實(shí)現(xiàn)物質(zhì) 分子尺寸的分離和混合物組分的分離 。屬于過濾式膜分 離的有 超濾、微濾、反滲透和氣體滲透 等； ③ 液膜分離 液膜與料液和接受液互不混溶，液液兩相通過 液膜實(shí)現(xiàn)滲透，類似于萃取和反萃取的組合。 實(shí)踐證明，當(dāng)不能經(jīng)濟(jì)地用常規(guī)的分離方法得到較 好的分離時(shí)，膜分離作為一種分離技術(shù)往往是非常 有用的。 7 第二章 高分子分離膜與膜分離技術(shù) 膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。這種過濾可稱為超過 濾。美國(guó) Amicon公司首 先將這種膜商品化。反滲透膜開始工業(yè)化。 在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也 獲得很大的發(fā)展。 70年 代初，卡斯勒（ Cussler）又研制成功 含流動(dòng)載體的 液膜 ，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。 13 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 4. 按功能分類 日本著名高分子學(xué)者清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃? 分離功能膜 （包括氣體分離膜、液體分離膜、離子 交換膜、化學(xué)功能膜）、 能量轉(zhuǎn)化功能膜 （包括濃 差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、機(jī)械能轉(zhuǎn)化膜、電能 轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜）、 生物功能膜 （包括探感膜、生 物反應(yīng)器、醫(yī)用膜）等。 15 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 表 2— 2 幾種主要分離膜的分離過程 膜過程 推動(dòng)力 傳遞機(jī)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(duì)稱性膜 納濾 壓力差 離子大小及電荷 水、一價(jià)離子、多價(jià)離子 有機(jī)物 復(fù)合膜 反滲透 壓力差 溶劑的擴(kuò)散傳遞 水、溶劑 溶質(zhì)、鹽 非對(duì)稱性膜復(fù)合膜 16 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 膜過程 推動(dòng)力 傳遞機(jī)理 透過物 截留物 膜類型 滲析 濃度差 溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞 低分子量物、離子 溶劑 非對(duì)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(kuò)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(duì)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(duì)稱膜 液膜分離 濃度差 反應(yīng)促進(jìn)和 擴(kuò)散傳遞 雜質(zhì) 溶劑 乳狀液膜、支 撐液膜 續(xù)上表 17 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有： 纖維素酯 類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料 。 微孔過濾技術(shù) 1. 微孔