高分子分离膜专题PPT资料.ppt

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通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。

2011-6-142011-6-1青岛理工大学4有机化学10分离膜与膜分离技术的概念指能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。

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。

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的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。

膜在生产和研究中的使用技术被称为膜技术。

2011-6-152011-6-1青岛理工大学5有机化学10膜分离技术的优点：

膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分离技术。

膜分离过程的共同优点是成本低、能耗少、效率高、无污染并可回收有用物质，特别适合于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、生物物质组分等混合物的分离，因而在某些应用中能代替蒸馏、萃取、蒸发、吸附等化工单元操作。

实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到较好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常有用的。

并且膜技术还可以和常规的分离方法结合起来使用，使技术投资更为经济。

62011-6-1青岛理工大学6有机化学10膜分离过程没有相的变化（渗透蒸发膜除外），常温下即可操作；

由于避免了高温操作，所浓缩和富集物质的性质不容易发生变化，因此在膜分离过程食品、医药等行业使用具有独特的优点；

膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。

由于上述优点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用于化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水淡化等领域。

2011-6-12011-6-172011-6-1青岛理工大学7有机化学10分离膜高分子膜液体膜生物膜带电膜非带电膜分离膜种类阳离子膜阴离子膜过滤膜反渗透膜精密过滤膜超滤膜纳米滤膜2011-6-182011-6-1青岛理工大学8有机化学10高分子膜材料目前，实用的有机高分子膜材料有：

纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。

从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。

以日本为例，纤维素酯类膜占53，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占11.7，其他材料的膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。

类别膜材料举例纤维素酯类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素酯类聚砜类聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰（亚）胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟（硅）类聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他壳聚糖，聚电解质等2011-6-192011-6-1青岛理工大学9有机化学10膜材料的分类1.按膜的材料分类2011-6-1102011-6-1青岛理工大学10有机化学102.按膜的分离原理及适用范围分类根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。

3.按膜断面的物理形态分类根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。

2011-6-1112011-6-1青岛理工大学11有机化学104.按功能分类日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为分离功能膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）、能量转化功能膜（包括浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能转化膜，导电膜）、生物功能膜（包括探感膜、生物反应器、医用膜）等。

OHCH2OHOOH2011-6-1122011-6-1青岛理工大学12机化学10有1.纤维素酯类膜材料纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,4-甙链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：

HOHOHHHOHHHOHHOHOHHCH2OHOHOHCH2OHOHHHOHHHHOHHCH2OHOHHHOOHn_222011-6-1132011-6-1青岛理工大学13有机化学10从结构上看，纤维素的每个葡萄糖单元上有三个羟基。

在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。

C6H7O2+（CH3CO）2OC6H7O2（OCOCH3）2+H2OC6H7O2+3（CH3CO）2OC6H7O2（OCOCH3）3+2CH2COOH2011-6-1142011-6-1青岛理工大学14有机化学10醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。

醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。

为了改进其性能，进一步提高分离效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤维素的混合物来制膜，也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来制膜。

此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。

纤维素类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。

因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。

2011-6-1152011-6-1青岛理工大学15有机化学102.非纤维素酯类膜材料

（1）非纤维素酯类膜材料的基本特性分子链中含有亲水性的极性基团；

主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；

化学稳定性好；

具有可溶性；

常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。

2011-6-1162011-6-1青岛理工大学16有机化学10

（2）主要的非纤维素酯类膜材料（i）聚砜类OSO常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。

聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：

二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。

2011-6-1172011-6-1青岛理工大学17有机化学10聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，pH值适应范围为113，最高使用温度达120，抗氧化性和抗氯性都十分优良。

因此已成为重要的膜材料之一。

这类树脂中，目前的代表品种有：

2011-6-1182011-6-1青岛理工大学18有机化学10聚醚砜聚苯醚砜OnSOOnSOOOO2011-6-1192011-6-1青岛理工大学19有机化学10（ii）聚酰胺类早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙4、尼龙66等制成的中空纤维膜。

这类产品对盐水的分离率在8090之间，但透水率很低，仅0.076ml/cm2h。

以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为311，分离率可达99.5（对盐水），透水速率为0.6ml/cm2h。

长期使用稳定性好。

由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。

2011-6-1202011-6-1青岛理工大学20有机化学10DuPont公司生产的DPI型膜即为由此类膜材料制成的，它的合成路线如下式所示：

nH2NCONHNH2+nClCOCClNHCONHNHCCnDMACOOO2011-6-1212011-6-1青岛理工大学21有机化学10类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：

ONHNHCONHnNHCCONHNHCONHCOOCn222011-6-12011-6-1青岛理工大学22机化学10有（iii）芳香杂环类聚苯并咪唑类如由美国Celanese公司研制的PBI膜即为此种类型。

这种膜材料可用以下路线合成：

NH2H2NNH2H2N+nOCOCOONNCHNNCH+2nOH+2nH2On2011-6-1232011-6-1青岛理工大学23有机化学10聚苯并咪唑酮类这类膜的代表是日本帝人公司生产的PBLL膜，其化学结构为：

NCONHSO2HNNCOn这种膜对0.5NaCl溶液的分离率达9095，并有较高的透水速率。

2011-6-1242011-6-1青岛理工大学24机化学10有聚吡嗪酰胺类这类膜材料可用界面缩聚方法制得，反应式为：

nClCOCHCOCHCl+nHNNHRR界面缩聚COCHCOCHNNRR+2nHCln2011-6-1252011-6-1青岛理工大学25有机化学10聚酰亚胺类聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力，因此是一类较好的膜材料。

例如，下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。

NCOCONCOCOArn2011-6-1262011-6-1青岛理工大学26有机化学10其中，Ar为芳基，对气体分离的难易次序如下：

H2O，H（He），H2S，CO2，O2，Ar（CO），N2（CH4），C2H6，C3H8易难聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，因此开发了可溶性聚酰亚胺，其结构为：

NCCOOCH2CHRNCCOOCH2CHn2011-6-1272011-6-1青岛理工大学27有机化学10（iv）离子性聚合物离子性聚合物可用于制备离子交换膜。

与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等。

在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。

磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜。

282011-6-12011-6-128机化学10有OCH3H3CSO3H+HClSO3CH3OH3C+HClnnCH3CCH3OOSOO+HClSO3nCH3CCH3OSO青岛理工大学OnOSO3H2011-6-1292011-6-1青岛理工大学29有机化学10（v）乙烯基聚合物用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。

共聚物包括：

聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。

聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。

2011-6-1302011-6-1青岛理工大学30有机化学1010.5.2高分子分离膜各论膜分离技术发展简史高分子膜的分离功能很早就已发现。

1748年，耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。

1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超过滤的概念。

他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。

这种过滤可称为超过滤。

按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。

2011-6-1312011-6-1青岛理工大学31有机化学10然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。

1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水丙酮溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。

美国Amicon公司首先将这种膜商品化。

50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。

1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。

同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。

反渗透膜开始工业化。

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