功能高分子材料 教学课件 作者 焦剑姚军燕 主编 第3章 高分子分离膜.ppt下载-支持高清免费浏览.pptx

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第三章高分子分离膜,8/14/2019,1,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,8/14/2019,2,尚辅网,3.1概述3.1.1膜分离技术的发展膜分离是一种很重要的分离技术，它的分离过程通常称为膜过程，也就是利用薄膜对混合物组分的选择透过性使之在一定的推动力下进行分离。

利用高性能分离膜可以实现物质的浓缩、纯化、分离和反应促进等功能。

膜技术在许多领域已得到了广泛的应用，如食品、饮料、冶金、造纸、纺织、制药、汽车、乳品、生物、化工以及在工业及民用用水的处理方面，它在环保方面的应用也日益广泛。

8/14/2019,3,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,分离膜的发展历史:

1748年，Nollet发现水能自发地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，这一发现可以说开创了膜渗透的研究。

1854年，Graham发表了利用膜渗透分离混合物的文章1855年，Fick等用陶瓷管浸入硝酸纤维素乙醚溶液中制备了囊袋型“超滤”半渗透膜，用以透析生物学流体溶液，定量测定了扩散和渗透压，并把渗透压与溶液浓度和温度联系起来。

1907年，Bechlod发表了第一篇系统研究滤膜性质的报告，指出滤膜孔径可以用改变火棉胶（硝酸纤维素）溶液的浓度来控制，从而可制出不同孔径的膜，并列出了相应的过滤颗粒物质梯级表。

8/14/2019,4,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,1918年，Zsigmondy等人提出了商品规模生产硝酸纤维素微孔滤膜的方法，并于1921年获得了专利。

第一次世界大战后德国Sartorius制造了最早的工业用膜，但此时所用的多孔硝酸纤维素或硝酸纤维素-醋酸纤维素膜只能用于实验室规模。

1931年，Elford报道了新的适于微生物应用的火棉胶滤膜系列，并用它来分离和富集微生物和极细粒子。

20世纪40年代出现了基于渗析原理的人工肾，Kolff等将之用于实际的血液透析。

50年代初期，Juda研制成功离子交换膜，从而使电渗析获得了工业应用，这种膜由阳离子或阴离子的迁移所产生的选择性比任何非离子系统的选择性都大。

8/14/2019,5,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,20世纪60年代，Leob和Sourirajan研制成功醋酸纤维素非对称膜，60年代末期又研制成功中空醋酸纤维素膜，这在膜分离技术的发展中是两个重要的突破，对膜分离技术的发展起了重要的推动作用，使反渗透、超滤和气体分离进入实用阶段。

这些膜是由一个很薄的致密皮层（厚度0.5m）和一个多孔的亚层（厚度为50200m）。

皮层决定了传递速率，多孔亚层仅起支撑作用渗透速率反比于实际屏障层的厚度，因此不对称膜的渗透速率（水通量）远大于相同厚度的（均质）对称膜。

8/14/2019,6,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,具有分离选择性的人造液膜是Martin在20世纪60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。

60年代中期，美籍华人黎念之博士在测定表面张力时观察到含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发现了不带有固膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。

70年代初，Cussler又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。

8/14/2019,7,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,从20世纪50年代以来，与膜分离有关产业以平均年增长10%以上的速度稳定增长，已形成一个年产值超过百亿美元的重要新兴产业。

从技术上来看，膜过程正由微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析（ED）膜电解（ME）、扩散渗透（DD）及透析等第一代过程向气体分离（GS）、全蒸发（PV）、蒸气渗透（VP）、膜蒸馏（MD）、膜接触器（MC）、膜萃取等发展。

8/14/2019,8,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,3.1.2膜分离的特点膜分离技术的优点：

在分离过程中几乎没有相变，能源消耗小，是一种低能耗、低成本的分离技术；膜过程通常在温和的条件下进行，因而对需避免高温分级、浓缩与富集的物质，如果汁、药品、蛋白质等，具有明显的优点；膜分离装置简单、操作容易、制造方便，易于与其它分离技术相结合，其分离技术应用范围广，对无机物、有机物及生物制品均可适用，且没有二次污染。

问题：

膜过程中容易出现膜污染，降低分离效率，膜的分离选择性较低，同时膜的使用有一定的寿命。

第三章高分子分离膜_概述,表3-1膜分离过程的特性,8/14/2019,9,尚辅网,8/14/2019,10,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,3.1.3高分子分离膜的定义及分类分离膜的定义：

若在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质能把流体相分隔开来成为两部分，那么这一凝聚相物质就可称为分离膜。

分离膜具有选择透过性，它可以是固态或液态的。

膜分离过程可以是主动的如渗透，也可以是被动的，此时的推动力可以是压力差、浓度差、电场力等。

膜的分类：

材料的来源合成膜和天然膜，膜的形态液态膜和固体膜膜的分离原理和推动力的不同微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。

第三章高分子分离膜_概述,对固体合成膜，依据其结构主要分为对称膜和不对称膜，每种膜又可由均质膜（致密膜）和多孔膜或两者共同组成。

图3-1不同类型膜横截面示意,8/14/2019,11,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,均质膜中没有宏观的孔洞，某些气体和液体的透过是通过分子在膜中的溶解和扩散运动实现的；而多孔膜上有固定的孔洞，是依据不同的孔径对物质进行截留来实现分离过程的。

对称膜的厚度一般在10200m之间，传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度将提高渗透速率。

不对称膜一般由厚度为0.10.5m的很致密皮层和50150m厚的多孔亚层构成，它结合了致密膜的高选择性和多孔膜的高渗透速率的优点，其传质阻力主要或完全,由很薄的皮层决定。

尚图辅3网-2不对称聚砜超滤膜的横1断2面,8/14/2019,第三章高分子分离膜_概述,复合膜中的皮层和亚层由不同的聚合物制成，每一层均可独立地发挥最大作用。

复合膜的制备方法包括浸涂、界面聚合、原位聚合和等离子聚合等。

从膜的宏观形态来分，还可将膜分为平板膜、管状膜和中空纤维膜。

平板膜还可分为无支撑膜（膜中仅包括分离用膜材料本身）、增强型分离膜（膜中还包含用于加强机械强度的纤维性材料）和支撑型分离膜（膜外加有起支撑增强作用的材料）。

管状膜的侧截面为封闭环形，被分离溶液可以从管的内部加入，也可以从管的外部加入，在相对一侧流出。

中空纤维是由半透性材料通过特殊工艺制成的，其外径在50300m之间，壁厚约20m左右。

在使用中通过纤,维外8/1表4/201面9,加压进料，在内部尚辅收网集分离液。

13,8/14/2019,14,尚辅网,第三章高分子分离膜_概述,3.1.3膜过程及膜组件膜分离过程中，需要将一定面积的膜装填到某种开放式或封闭的壳体空间内构造成一定形式的结构单元，即膜组件。

在开发膜组件的过程中必须考虑以下几个基本要求（其中部分是相互矛盾的）：

适当均匀的流动，无静水区；具有良好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性；装填密度大；制造成本低；易于清洗；更换膜的成本低；压力损失小。

膜组件主要可分为毛细管中空纤维式、平板框式和卷式膜组件。

第三章高分子分离膜_概述,

（1）平板膜框式膜组件的基本结构和流体流程,8/14/2019,15,尚辅网,？

第三章高分子分离膜_概述,

（2）平板膜卷式样组件结构展开与横向示意,（3）U形中空纤维尚膜辅网组件的基本结构,8/14/2019,16,第三章高分子分离膜_概述,（4）管式膜组件的结构与流程图3-3某些膜组件及流程,8/14/2019,17,尚辅网,8/14/2019,18,尚辅网,第三章高分子分离膜_分离膜的分离原理,分离膜重要的两个指标：

选择性和透过性。

透过性是指测定物质在单位时间内透过单位面积分离膜的绝对量。

选择性是指在同等条件下测定物质透过量与参考物质透过量之比。

膜分离的两种作用：

过筛作用和溶解扩散作用过筛作用类似于物理过筛过程，被分离物质能否通过筛网取决于物质粒径尺寸和网孔的大小，物质的尺寸既包括长度和体积，也包括形状参数。

同时分离膜和被分离物质的亲水性、相容性、电负性等性质也起着相当重要的作用。

溶解扩散，膜材料对某些物质具有一定溶解能力时，在外力作用下被溶解物质能够在膜中扩散运动，从膜的一侧扩散到另一侧，再离开分离膜。

8/14/2019,19,尚辅网,第三章高分子分离膜_分离膜的分离原理,膜对被分离物质的透过性和对不同物质的选择性透过是对分离膜最重要的评价指标。

透过率：

在一定条件下，物质透过单位面积膜的绝对速率称为膜的透过率，通常用单位时间透过物质量为单位。

透过选择性：

两种不同物质（粒度大小或物理化学性质不同）透过同一分离膜的透过率比值称为透过选择性。

第三章高分子分离膜_分离膜的分离原理,3.2.1多孔膜的分离原理多孔膜的分离机理主要是筛分原理，以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶质分子，也可用于气体的分离。

影响膜分离的因素：

孔径、孔径分布等膜的宏观结构：

依据表面平均孔径的大小可分为微滤（0.110m）、超滤（2100nm）、纳滤（0.55nm）。

膜材料的化学组成和结构，以及由此而产生的与被分离物质的相互作用关系也会影响膜的分离效果，如分离膜与被分离物质的亲水性，相容性，电负性等。

如由于亲水性的多孔膜表面吸附有活动性相对较小的水分子层而使有效孔径相应变小，因此其平均孔径要大于被截留的溶质的分子尺寸。

表面荷电的多孔膜可以在表面吸附一层以上的对离子，因而荷电膜有效孔径比一般多孔膜更小。

而相同标称孔径的膜，,水通量比一般多孔膜大得多。

尚辅网,荷电8/14膜/201的9,20,8/14/2019,21,尚辅网,第三章高分子分离膜_分离膜的分离原理,3.2.2致密膜的分离机理绝对无孔的致密膜是不存在的，即使在完整晶体表面的晶格中仍有0.4nm左右的孔道存在。

在膜分离技术中通常将孔径小于1nm的膜称为致密膜。

致密膜的传质和分离机理是溶解扩散机理，即在膜上游的溶质（溶液中）分子或气体分子（吸附）溶解于高分子膜界面、按扩散定律通过膜层、在下游界面脱溶。

溶解速率取决于该温度下小分子在膜中的溶解度，而扩散速率则按Fick扩散定律进行。

8/14/2019,22,尚辅网,第三章高分子分离膜_分离膜的分离原理,影响膜的分离过程的因素：

链的活动性的影响：

一般认为，小分子在聚合物中的扩散是由高聚物分子链段热运动的构象变化引起所含自由体积在各瞬间的变化而跳跃式进行的，因而小分子在橡胶态中的扩散速率比在玻璃态中的扩散速率快，自由体积愈大扩散速率愈快，升高温度可以增加分子链段的运动而加速扩散速率，但相应不同小分子的选择透过性则随之降低。

因此影响膜的分离过程的因素有被分离物质的极性、结构相似性、酸碱性质、尺寸、形状等，还有膜的凝聚态结构和化学组成等。

第三章高分子分离膜_分离膜的分离原理,致密膜对气体的分离：

分离过程：

气体与膜接触；分子溶解在膜中；溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散；分子在膜的另一侧逸出。

逸出的气体分子使低压侧压力增大，且随时间变化。

影响分离过程的因素：

气体的透过量q与扩散系数D，溶解度系数和气体渗透系数成正比；在稳态时，气体透过量q与膜面积A和时间t成正比；气体透过量与膜的厚度l成反比。

提高膜的透过量：

通常不通过加大两侧压力差来提高透过量，而是采用增加表面积，增加膜的渗透系数和,减8/1小4/20膜19,的厚度的方法来提尚辅高网膜的透过量。

23,第三章高分子分离膜_分离膜的分离原理,致密膜对液体的分离：

对于流体而言，因为扩散分子与高聚物之间可以存在强的相互作用，因此其扩散系数D随着浓度的变化而变化，使情况变的复杂难以用某种数学关系对其说明。

特别是对于溶质的分离，目前对于物质在膜中通过的情况很不清楚，因而尚无完善的理论，而是把