高分子分离膜

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8.1.4.2 分离性能
膜的分离性能决定其对被分离混合物中各组分的选择透过性。 不同的膜，分离性能的表示方法不同： ①截留率，在反渗透膜对盐水溶液的分离中通常采用脱盐率 来表示。
②截留分子量，是指能被膜截住的溶质中最小溶质的分子量
③分离系数 对气体分离膜用分离系数表征膜的分离选择性能 ④选择透过度和交换容量 交换容量是指每千克干膜中所含活 性基团的毫克数，是电渗析过程中选择离子交换膜的关键指 标之一。
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1. 纤维素衍生物类 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1, 4—β—甙链连接起来的天然线性高分子化合物， 其结构式为：
H
CH2OH
H O OH H H
CH2OH
O H H
OH H H O O
H
CH2OH
H O OH H H
CH2OH n_ 2 2
O H H
OH H H O OH
H OH OH H
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8.1.1 高分子分离膜的分类
1. 按按被分离物质性质分类 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。 2. 按膜的形态分类 根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为平板膜、 管式膜、中空纤维膜、复合膜、毛细管膜、核径蚀刻膜、 液膜等。
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第8章 高分子功能膜材料
具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin） 在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 华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形 成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液 膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。70年 代初，卡斯勒（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。 由于膜分离技术具有高效、节能、高选择、多 功能等特点，分离膜已成为上一世纪以来发展极为 迅速的一种功能性高分子。
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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。
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。
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％，可见纤维素衍生物类材料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。
纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较
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以下内容了解性浏览：
膜材料
用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合成的有机
高分子材料和无机材料。
原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于
制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。
这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。 此外，也取决于膜的制备技术。
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高分子分离膜的材料
膜类型
非对称性膜 离子交换膜 均相膜、复合 膜，非对称膜 均相膜、复合 膜，非对称膜 乳状液膜、支 撑液膜
气体分离 压力差 渗透蒸发 压力差 液膜分离 浓度差
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8.1.4 高分子分离膜的性能表征
8.1.4.1 透过性能
透过性能标志着膜的分离速度，分离膜的透过性能用透过速 率J表示，指单位时间内透过单位面积分离膜的物质的量。 膜的透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关， 随操作推动力的增加而增大，其大小决定分离设备的选择和 设计，影响透过性的因素： ①膜材料的组成和结构 ②被分离物质在膜中的溶解性能 ③分离膜的聚集结构和超分子结构 ④被透过物质的物理化学性质
水、一价离子、 多价离子 水、溶剂
复合膜 非对称性膜复 合膜
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续上表
膜过程
渗析 电渗析
推动力
浓度差 电位差
传递机理
溶质的扩散传递 电解质离子的 选择传递 气体和蒸汽的 扩散渗透 选择传递 反应促进和 扩散传递
透过物
低分子量物、离子 电解质离子 气体或蒸汽 易渗溶质或溶剂 杂质
截留物
溶剂 非电解质， 大分子物质 难渗透性气 体或蒸汽 难渗透性溶 质或溶剂 溶剂
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表8-1 主要的膜过程及其基本特征
膜过程 微滤 推动力 压力差 传递机理 颗粒大小形状 透过物 水、溶剂溶解物 截留物 悬浮物颗粒 胶体和超过 截留分子量 的分子 有机物 溶质、盐 膜类型 纤维多孔膜
超滤
压力差
分子特性大小形状
水、溶剂小分子
非对称性膜
纳滤 反渗透
压力差 压力差
离子大小及电荷 溶剂的扩散传递
H OH H
OH
OH
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从结构上看，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)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O
C6H7O2 + 3(CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH
第8章 高分子功能膜材料
3.1 概述
3.1.1 膜分离技术的发展 分离膜是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。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。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。膜的分 离过程通常称为膜过程，即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。
聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等 壳聚糖，聚电解质等
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4. 按膜体的结构和断面形态分类： （a）致密膜 ： 紧密无孔的膜，可由聚合物熔融挤出成膜或由聚合物溶
液浇铸成膜。
（b）多孔膜 ：
有无规分布且相互连接的多孔结构。 可由烧结法 、拉伸
法 、径迹蚀刻 等方法获得。
（c）乳化膜
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按膜的结构分类： （a）对称膜 ： 均质膜，是一种均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态完
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第8章 高分子功能膜材料
随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广 度的开拓，物质的分离已成为重要的研究课题。分 离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离；异 种物质的分离；不同物质状态的分离等。 在化工单元操作中，常见的分离方法有筛分、 过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。 然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生 物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实 现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无 实用价值。
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3.1.2 膜分离的特点
※膜分离的优点 ①分离过程无相转变(渗透蒸发膜除外) ，分离物质损耗小， 能源消耗少→低能耗、低成本分离技术； ②通常在温和的条件下进行，对需避免高温分级、浓缩与 富集的物质具有明显优点； ③装置简单，操作容易、制造方便，易于与其他分离技术
结合且无二次污染并可回收有用物质。
全相同，包括致密膜和对称的多孔膜。
（b）非对称膜 ： 膜主体有两种或两种以上的形貌结构，是工业上运用最 多的分离膜。
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5. 按膜分离过程分类： （1）0.05～20μm，微滤膜，可截留微米级、亚微米级粒子等。 （2）1nm ～0.05 μm ，超滤膜，可用于溶质的分离和增浓等。 （3）2～ 5nm，纳滤膜，截留高价态离子等。 （4）0.1～ 1nm，反渗透膜（超细滤膜），可分离 NaCl等。 （5）透析膜，可用于血液透析等。 （6）电渗析用离子交换膜，带电和不带电粒子的分离。 （7）气体分离膜，气体分离。
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（2）浓度差驱动力：
浓度不同的液体接触时，溶质从浓度高的一侧通过分离膜 渗透到浓度低的另一侧，其原因是物质的布朗运动，通过 下游侧的溶液流动完成分离过程。 蒸汽渗透、透析、气体分离、膜接触器等属于浓度差驱动。
R D
dc dx
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（3）电场驱动力：
当膜两侧施加电场，带电离子或分子会受到电场力的驱动， 通过离子选择性分离膜分别向带有相反电荷的电极迁移， 使不同离子相互分离的过程。 电渗析、离子膜分离过程等属于电场力驱动。
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（2）主要的非纤维素酯类膜材料 O （i）聚砜类 S 聚砜结构中的特征基团为 O ，为了引入亲水基 团，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。
（8）渗透汽化膜，有机溶剂脱水等。
（9）液膜，烃类混合物的分离。
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8.1.2 膜分离原理
高分子分离膜主要有三种基本的分离机理： （1）筛分效应分离机理 多孔膜的分离机理是筛分机理，即在膜渗透过程中， 只有体积小于膜孔的分子能够由膜孔通过，并且体积较小 的渗透物比体积较大的渗透物渗透速率更快。
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3. 按膜的材料分类
表1 膜材料的分类
类别 纤维素酯类 膜材料 纤维素衍生物类 聚砜类 聚酰(亚)胺类 非纤维素酯类 聚酯、烯烃类 含氟(硅)类 其他 举 例 醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等 聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等