【文章內(nèi)容簡介】 。進一步改進納濾膜的制作工藝， 研究膜材料改性，將可極大提高納濾膜的分離效果 與清洗周期。 41 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 2. 納濾膜及其技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 納濾技術(shù)最早也是應(yīng)用于 海水及苦咸水的淡化 方面。由于該技術(shù)對低價離子與高價離子的分離特 性良好，因此在硬度高和有機物含量高、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。 42 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 離子交換膜 （ 1）按可交換離子性質(zhì)分類 與離子交換樹脂類似，離子交換膜按其可交換 離子的性能可分為 陽離子交換膜、陰離子交換膜和 雙極離子交換膜 。這三種膜的可交換離子分別對應(yīng) 為陽離子、陰離子和陰陽離子。 43 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) （ 2）按膜的結(jié)構(gòu)和功能分類 按膜的結(jié)構(gòu)與功能可將離子交換膜分為 普通離 子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜 三種。 普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對一價 離子的選擇性滲透進行海水濃縮脫鹽；雙極離子交 換膜由陽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 離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進行鹽的濃縮、 有機物質(zhì)的分離等。 44 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 2. 離子交換膜的工作原理 （ 1）電滲析 在鹽的水溶液（如氯化鈉溶液）中置入陰、陽 兩個電極，并施加電場，則溶液中的陽離子將移向 陰極，陰離子則移向陽極，這一過程稱為 電泳 。如 果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜（陽離 子交換膜或陰離子交換膜），則陽離子或陰離子會 選擇性地通過膜，這一過程就稱為 電滲析 。 45 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 電滲析的核心是離子交換膜 。在直流電場的作 用下，以電位差為推動力，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，實現(xiàn)溶液的 淡化、濃縮及鈍化；也可通過電滲析實現(xiàn)鹽的電 解，制備氯氣和氫氧化鈉等。 圖 2— 5為用于 食鹽生產(chǎn)的電滲析器的示意圖。 46 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 圖 2— 5 食鹽生產(chǎn)電滲析器示意圖 A：陰離子膜， K：陽離子膜； D：稀室， C：濃室 N a+C lN a+N a+N a+N a+N a+N a+N a+N a+C l C l C l C l C l C l C l C lA K K K K KA A A AD C D D D DC C C陽 極 水 陰 極 水咸 水C l2 N a O H脫 鹽 水濃 縮 液47 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) （ 2）膜電解 膜電解的基本原理可以通過 NaCl水溶液的電解 來說明。在兩個電極之間加上一定電壓，則陰極生 成氯氣，陽極生成氫氣和氫氧化鈉。陽離子交換膜 允許 Na+滲透進入陽極室，同時阻攔了氫氧根離子 向陰極的運動，在陽極室的反應(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。 如果在膜的一面涂上一層陰極的催化劑，在另 一面涂一層陽極催化在這兩個電極上加上一定的電 壓，則可電解水，在陽極產(chǎn)生氫氣，而在陰極產(chǎn)生 氧氣。 49 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 3. 電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 自電滲析技術(shù)問世后，其在 苦咸水淡化，飲用 水及工業(yè)用水制備 方面展示了巨大的優(yōu)勢。 隨著電滲析理論和技術(shù)研究的深入，我國在電 滲析主要裝置部件及結(jié)構(gòu)方面都有巨大的創(chuàng)新，僅 離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的 1/3。我國的電滲析 裝置主要由國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。 50 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 電滲析技術(shù)在 食品工業(yè)、化工及工業(yè)廢水 的處 理方面也發(fā)揮著重要的作用。特別是與反滲透、納 濾等精過濾技術(shù)的結(jié)合，在電子、制藥等行業(yè)的高 純水制備中扮演重要角色。 此外，離子交換膜還大量應(yīng)用于 氯堿工業(yè) 。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。 51 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 全氟磺酸膜還可用作燃料電池的重要部件。燃 料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉?，? 能成為 21世紀(jì)的主要能源方式之一。經(jīng)多年研制， Nafion膜已被證明是氫氧燃料電池的實用性質(zhì)子交 換膜，并已有燃料電池樣機在運行。但 Nafion膜價 格昂貴（ 700美元 /m2），故近年來正在加速開發(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。 52 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 滲透蒸發(fā)技術(shù) 1. 滲透蒸發(fā)技術(shù)和滲透蒸發(fā)膜的特點 滲透蒸發(fā)是近十幾年中頗受人們關(guān)注的膜分離 技術(shù)。 滲透蒸發(fā)是指液體混合物在膜兩側(cè)組分的蒸 氣分壓差的推動力下，透過膜并部分蒸發(fā)，從而達 到分離目的的一種膜分離方法 ?？捎糜趥鹘y(tǒng)分離手 段較難處理的恒沸物及近沸點物系的分離。具有 一 次分離度高、操作簡單、無污染、低能耗 等特點。 53 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 滲透蒸發(fā)的實質(zhì)是利用高分子膜的選擇性透過 來分離液體混合物。其原理如圖 2— 6所示。由高分 子膜將裝置分為兩個室，上側(cè)為存放待分離混合物 的液相室，下側(cè)是與真空系統(tǒng)相連接或用惰性氣體 吹掃的氣相室?；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)。由于在氣相室中 該組分的蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓，因而在膜表 面汽化。蒸氣隨后進入冷凝系統(tǒng)，通過液氮將蒸氣 冷凝下來即得滲透產(chǎn)物。滲透蒸發(fā)過程的推動力是 膜內(nèi)滲透組分的濃度梯度。 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。 描述滲透蒸發(fā)過程的兩個基本參數(shù)是滲透通量 J （ g/）和分離系數(shù) α。 α的定義為： （ 2— 1） 式中， Y和 X分別為滲透產(chǎn)物與原料的質(zhì)量分數(shù)；下 標(biāo) A為優(yōu)先滲透組分， B為后滲透組分。由以上定義 可知， α代表了高分子膜的滲透選擇性。 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。化學(xué)結(jié)構(gòu)是指制備膜的 高分子的種類與 分子鏈的空間構(gòu)型 ；物理結(jié)構(gòu)則是指 膜的孔度、孔 分布、形狀、結(jié)晶度、交聯(lián)度、分子鏈的取向 等， 取決于膜的制備過程。衡量滲透蒸發(fā)膜的實用性有 以下四個指標(biāo)： ① 膜的選擇性（ α值） ； ② 膜的滲 透通量（ J值）；③ 膜的機械強度；④ 膜的穩(wěn)定性 （包括耐熱性、耐溶劑性及性能維持性等）。 所以 在膜的開發(fā)中必須綜合考慮這四個因素。 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 對于滲透蒸發(fā)膜來說，是否具有良好的選擇性 是首先要考慮的?；谌芙鈹U散理論，只有對所需 要分離的某組分有較好親和性的高分子物質(zhì)才可能 作為膜材料。如 以透水為目的的滲透蒸發(fā)膜，應(yīng)該 有良好的親水性，因此聚乙烯醇（ PVA）和醋酸纖 維素（ CA）都是較好的膜材料；而當(dāng)以透過醇類物 質(zhì)為目的時，憎水性的聚二甲基硅氧烷（ PDMS） 則是較理想的膜材料。 59 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 對于二元液體混合物，要求膜與每一組分的親 和力有較大的差別，這樣才有可能通過傳質(zhì)競爭將 二組分分開。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方面： 色散力、 偶極力、氫鍵和空間位阻 。式 4— 2是基于溶解度參 數(shù)的相互作用判據(jù)： ΔδIM = [(δdI－ δdM)2 + (δpI－ δpM)2 + (δhI－ δhM)2]1/2 （ 4— 2） 式中： ΔδIM 為組分 I與膜 M間的溶解度參數(shù)差值； δd、 δp、 δh分別為溶解度參數(shù)的色散力、偶極力與 氫鍵的分量。 60 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) ΔδIM值越小，表明組分 I與膜 M間的親和力越 大，互溶性也就越大 。對于待分離的 A、 B混合物， ΔδAM/ΔδBM可作為衡量膜的溶解選擇性的尺度， 因此可作為膜材料選擇的一個基礎(chǔ)。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。 由于用溶解度參數(shù)預(yù)測有機物之間及有機物與 聚合物之間互溶性本身是一種經(jīng)驗方法，因此僅可 作為參考。 61 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) 另外，式 2— 2未考慮空間位阻的因素，再加上 滲透蒸發(fā)的最終結(jié)果還與滲透組分的擴散有關(guān)，所 以僅以溶解的難易來選擇膜材料的判據(jù)存在一定的 缺陷。譬如，如果膜材料與水的作用力太強，可能 反而會由于氫鍵作用而束縛水分子使其難以透過。 普遍認為， 對于含水體系，在膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)中保持 一種親水與憎水基團的適當(dāng)比例是重要的 。 62 第二章高分子分離膜與膜分離技術(shù) （ 2）制備滲透蒸發(fā)膜的主要材料 用于制備滲透蒸發(fā)膜的材料包括天然高分子物 質(zhì)和合