新型高分子材料第六章——高分子分离膜

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1、化学与环境学院材料科学研究所化学与环境学院材料科学研究所王玉海王玉海第六章第六章 高分子分离膜高分子分离膜内容内容6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 膜分离过程膜分离过程6.2 6.2 膜分离技术的应用膜分离技术的应用6.2 6.2 高分子功能膜的分类高分子功能膜的分类6.2 6.2 膜材料及膜的制备膜材料及膜的制备6.2 6.2 典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术及应用领域常见的分离方法常见的分离方法筛分筛分过滤过滤萃取萃取离心离心蒸馏蒸馏重结晶重结晶柱层析柱层析膜分离膜分离色谱分离色谱分离离子交换离子交换对于高层次的分离，如对于高层次的分离，如分子尺寸的分离分子尺寸的分离、生物

2、生物体组分的分离体组分的分离等，采用等，采用常规的分离方法是难以常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源或需要损耗极大的能源而无实用价值。而无实用价值。6.1 6.1 概述概述6.1 6.1 概述概述功能膜的概念功能膜的概念功能膜是指具有选择性传递物质的一类高分子薄膜材料。功能膜是指具有选择性传递物质的一类高分子薄膜材料。可用于物质的分离、浓缩、精制等，既省能又无污染。可用于物质的分离、浓缩、精制等，既省能又无污染。膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。流

3、体物质可以是液态的，也可以是气态的。膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行传递。分离膜对流体可以是完全透过性侧流体接触并进行传递。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。膜分离膜分离- -半透膜半透膜 指一类可以让小分子物质透指一类可以让小分子物质透过而大分子物质不能通过的薄膜过而大分子物质不能通过的薄膜的总称。的总称。 例如：例如：细胞膜、膀胱膜、肠衣等细胞膜、膀胱膜、肠衣等 终端过滤终端过滤错流过滤错流过滤例如：果汁、酒的消毒与澄清例

4、如：果汁、酒的消毒与澄清澄清果蔬汁加工工艺澄清果蔬汁加工工艺超滤超滤6.2 6.2 膜分离过程膜分离过程1 1）过滤分离）过滤分离 利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有有 超滤超滤（Ultrafiltration,UF，孔径，孔径0.11um）、微滤、微滤(Microfiltration,MF,孔径孔径1100nm)、纳滤、纳滤(Nanofiltration,NF，孔径，孔径0.5 5nm)等；等；反渗透（反渗透（Reverse osmosisRever

5、se osmosis） 在膜的两边造成一个压力差，并使其大于渗透压，就在膜的两边造成一个压力差，并使其大于渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶液进一步浓缩会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶液进一步浓缩 选择吸附，溶解选择吸附，溶解- -扩散机理扩散机理（0.2 nm）Na+0.37nm过滤式膜分离过滤式膜分离2 2）渗析式膜分离）渗析式膜分离 料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。 属于渗析式膜分离的有属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析渗析和电渗析等。等。 电渗析（电

6、渗析（electrodialysiselectrodialysis） 在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜，在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜，在电场中形成一个个隔室使溶液中的离子有选择地在电场中形成一个个隔室使溶液中的离子有选择地分离或富集。分离或富集。电渗析过程电渗析过程+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阳膜阴膜注意：注意：离子交换膜的作用离子交换膜的作用并不是起离子交换并不是起离子交换的作用，而是的作用，而是起离子起离子选择透过性选择透过性作用。作用。海水的淡化海水

7、的淡化 液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。组合。溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接受液相当于反萃取质再从液膜进入接受液相当于反萃取。 3 3）液膜分离）液膜分离4 4）气体透过）气体透过 利用微孔或无孔膜进行气体分离，主要是溶解利用微孔或无孔膜进行气体分离，主要是溶解- -扩扩散过程散过程 分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者或输送特定的物质，

8、如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如下表所示。种主要的膜分离过程及其传递机理如下表所示。膜膜分离过程的类型分离过程的类型几种主要分离膜的分离过程几种主要分离膜的分离过程膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型微滤微滤压力差压力差颗粒大小形状颗粒大小形状水、溶剂溶解物水、溶剂溶解物悬浮物颗粒悬浮物颗粒纤维多孔膜纤维多孔膜超滤超滤压力差压力差分子特性大小分子特性大小形状形状水、溶剂小分子水、溶剂小分子胶体和超过截留胶体和超过截留分子量的分子分子量的分子非

9、对称性膜非对称性膜纳滤纳滤压力差压力差离子大小及电离子大小及电荷荷水、一价离子、水、一价离子、多价离子多价离子有机物有机物复合膜复合膜反渗透反渗透压力差压力差溶剂的扩散传溶剂的扩散传递递水、溶剂水、溶剂溶质、盐溶质、盐非对称性膜非对称性膜复合膜复合膜膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型渗析渗析浓度差浓度差溶质的扩散溶质的扩散传递传递低分子量低分子量物、离子物、离子溶剂溶剂非对称性膜非对称性膜电渗析电渗析电位差电位差电解质离子的电解质离子的选择传递选择传递电解质离子电解质离子非电解质，非电解质，大分子物质大分子物质离子交换膜离子交换膜气体分气体分离离压力差

10、压力差气体和蒸汽的气体和蒸汽的扩散渗透扩散渗透气体或蒸汽气体或蒸汽难渗透性气难渗透性气体或蒸汽体或蒸汽均相膜、复合均相膜、复合膜，非对称膜膜，非对称膜渗透蒸渗透蒸发发压力差压力差选择传递选择传递易渗溶质或易渗溶质或溶剂溶剂难渗透性溶难渗透性溶质或溶剂质或溶剂均相膜、复合均相膜、复合膜，非对称膜膜，非对称膜液膜分液膜分离离浓度差浓度差反应促进和反应促进和扩散传递扩散传递杂质杂质溶剂溶剂乳状液膜、支乳状液膜、支撑液膜撑液膜续上表续上表 成本低成本低 能耗少能耗少 效率高效率高 无污染无污染 可回收利用有用物质可回收利用有用物质膜分离技术的优点膜分离技术的优点特别适用于特别适用于性质相似组分性质相似

11、组分同分异构体组分同分异构体组分热敏性组分热敏性组分生物物质组分生物物质组分6.3 6.3 膜分离技术的应用膜分离技术的应用 化工、环保、化工、环保、食品食品、医药医药、电子、电力、电子、电力、冶金、轻纺、冶金、轻纺、海水淡化海水淡化等领域广泛使用等领域广泛使用海水海水 过滤过滤 沉降沉降 钠离子交换柱去除高价阳离子钠离子交换柱去除高价阳离子 逆渗透逆渗透 浓水浓水淡水淡水反渗透纯水设备反渗透纯水设备1. 1. 按膜的材料分类按膜的材料分类 膜材料的分类膜材料的分类类类 别别膜材料膜材料举举 例例纤维素酯类纤维素酯类纤维素衍生物类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等醋酸纤维素，硝