高分子分离膜材料综述

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高分子分离膜材料的研究进展

应用化学1005410220 袁强

摘要：高分子分离膜是用高分子材料制作而成的具有选择性透过功能的半透性薄膜。本文将简单介绍高分子分离膜材料的起源、发展史，重点介绍高分子分离膜材料的应用前景和研究现状。

关键词：高分子材料；高分子分离膜；分离；材料

1．高分子分离膜概述

高分子分离膜（polymeric membrane for separation），是由聚合物或高分子复合材料制得的具有分离流体混合物功能的薄膜。膜分离过程就是用分离膜作间隔层，在压力差、浓度差或电位差的推动力下，借流体混合物中各组分透过膜的速率不同，使之在膜的两侧分别富集，以达到分离、精制、浓缩及回收利用的目的。单位时间内流体通过膜的量（透过速度）、不同物质透过系数之比（分离系数）或对某种物质的截留率是衡量膜性能的重要指标。

2．高分子分离膜的起源和发展史

2.1．国外高分子分离膜发展史

1849年，德国学者惠柏思用硝基纤维素制成第一张高分子膜。

1920年，麦克戈达开始观察和研究反渗透现象。

1930年，人们将纤维素膜用于超滤分离。

1940年，离子交换膜开发和利用电渗析方法建立。

1950年，加拿大学者萨利拉简研究反渗透。

1960年，洛萨和萨利拉简成功制备了具有完整表皮和高度不对称的第一张高效能反渗透膜，为该法奠定了基础。

1970年以来。超滤膜、微滤膜成功开发和应用，有支撑的液膜和乳液膜及气体分离膜也相继问世。

2.2．国内高分子分离膜发展史

我国的膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的，六十年代进入开创阶段。1965年着手反渗透技术的探索。1967年开始全国的海水淡化会战。大大促进了我国膜技术的发展。70年代进入开发阶段。这时期，微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来，80年代跨入推广应用阶段。80年代又是气体分离和其他膜的开发阶段。

3.高分子分离膜所用到的材料

最初用作分离膜的高分子材料是纤维素酯类材料。后来，又逐渐采用了具有各种不同特性的聚砜、聚苯醚、芳香族聚酰胺(见芳香族聚酰胺纤维)、聚四氟乙烯（见氟树脂）、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚苯并咪唑、聚酰亚胺等。高分子共混物和嵌段、接枝共聚物（见聚合物）也越来越多地被用于制分离膜，使

其具有单一均聚物所没有的特性。制备高分子分离膜的方法有流延法、不良溶剂凝胶法、微粉烧结法、直接聚合法、表面涂覆法、控制拉伸法、辐射化学侵蚀法和中空纤维纺丝法等。

4.高分子分离膜的分离原理和分离种类

推动膜分离的外力可以是压力差、电位差、浓度差、温度差和化学反应

高分子分离膜可按结构分为:①致密膜，膜中无微孔，物质仅从高分子链段之间的自由空间通过；②多孔质膜，一般膜中含有孔径为0.02～20μm的微孔，可用于截留胶体粒子、细菌、高分子量物质粒子等；③不对称膜，由同一种高分子材料制成，膜的表面层与膜的内部结构不相同，表面层为0.1～0.25μm薄的活性层，内部为较厚的多孔层;④含浸型膜，在高分子多孔质膜上含浸有载体而形成的促进输送膜和含有官能基团的膜，如离子交换膜；⑤增强膜，以纤维织物或其他方式增强的膜。

按膜的分离特性和应用角度可分为反渗透膜（或称逆渗透膜）、超过滤膜、微孔过滤膜、气体分离膜、离子交换膜、有机液体透过蒸发膜、动力形成膜、镶嵌带电膜、液体膜、透析膜、生物医学用膜等多种类别。

5.高分子分离膜的研究现状

5.1.用于氢气的回收

另类高分子分离膜对氢气具有选择性，可有效地用于合成气体的调节，冶炼气体中氢气的回收以及液态氨合成中的氢气回收，此类技术在美国广泛应用。

5.2.有机气体的回收

针对一些高分子材料对有机气体有特殊的选择性、过滤性。有机气体在此类高分子材料中穿透性快的特点，将分离膜用于有机气体的回收，如回收在塑料合成中的单分子气体，回收工业排放气中的有机物质，既使能源在利用，又净化了气体，美国和西方国家生产出的此类高分子分离膜已广泛用于化工工业及环境治理。

5.3.用于天然气的回收

天然气中含有CO2，H2O和H2S是造成天然气质量低，输送管道易被腐蚀的主要原因，高分子分离膜能有效的出去此类有害物质，提高天然气质量，延长管道使用寿命。

5.4.用于氮气和氧气的直取

以空气作为原料，高分子分离膜可分离出百分之九十九的氮气，含量为百分之九十以上的氧气。新一代的高分子分离膜产品应用技术将更加精湛，用途将涉及到血液的净化，人造肝胆一类的生物工程领域，前景可观。

人工肾透析

5.5.用于人类肾的过滤

据不完全统计，肾病患者人群发病率为万分之五，国内按12亿人口测算，需要使用血液透析器（人工肾）治疗肾功能衰竭病人约60万人。按每周透析1

次（实际每周透析2-3次）计算，每年需要3000万只人工肾，也有资料表明至少需要1000万只。目前国内进口的和国内组装的人工肾只能让大城市内的大医院使用，远远不能满足农村与边远地区的要求。

据资料分析,在人工肾血液透析过程中，长期使用纤维素类型中空纤维膜透析的病人血液中的中分子物质和β微球蛋白水平的升高，它将导致神经病变及透析性淀粉样变，远期并发症，这一现象已受到医学界的关注与重视，因此血液滤过的概念也随之提出，而且正在血液透析领域中得到快速地发展。

目前传统的血仿膜对上述物质几乎无清除作用。各国学者已在研究各种合成材料中空纤维代用品。上海德圆科技发展有限公司已纺制成可做人工肾透析器低通量与高通量的聚砜与聚醚砜中空纤维膜，这将为新型人工肾的应用奠定了基础。

5.6.生物人工肝

暴发性肝功能衰竭仍是一种死亡率很高的危重病症，用一般治疗方法都不能达到理想的效果。国内外较早地研究了微囊肝细胞⒆和体外装置等形式。但现在生产的微囊还不足以对抗体外灌注的高血流速度所产生的切应力，从已经得到的结果分析，活肝细胞-中空纤维生物人工肝是目前最先进的人工肝装置。

中空纤维肝细胞反应器是将一束平行排例的具有一定孔径的高分子分离膜安装在一个圆型外壳内，按功能它可分为两个腔室：中空纤维管内腔和中空纤维与外壳间的外腔。两部分通过中空纤维管壁上的微孔进行物质交换。肝细胞种植在纤维管外表面，血液在中空纤维管内循环。

5. 7.人工胰

自1889年，von Mering和Minkowski发现切除胰腺的狗可引起糖尿病，第一次说明了胰腺有调节血糖的和糖代谢的作用以来，人们对胰腺及胰岛素与糖尿病的关系予以足够的重视（中国早就认识了糖尿病这种病症，以“消渴病”为名加以了描述，并采用中草药治疗，效果尚好）。1965年我国首先合成结晶牛胰岛素。随着分子生物学的迅猛发展，对糖尿病的研究重点已从胰岛素分子本身转向对胰岛素作用机制的探讨。胰岛素受体及受体后的改变，胰岛各细胞之间的功能调节及B细胞膜表面蛋白的改变等。

从医学治疗上分析，可以进行胰岛移植。是否将胰岛中各类细胞像生物人工肝一样用中空纤维作为宿主，治疗糖尿病人的病症，这还将进行进一步的研究。我国糖尿病的发病率为0.6%，如果将生物人工胰应用于临床，则意义十分重大。在人工胰产品中相当重要的方面就是膜，这种产品以膜来分胰岛细胞，使膜内的胰岛细胞通过膜的传递将胰岛素输送至血液循环系统中，而血液中的氧和营养物质又通过膜传送给膜内的胰岛细胞。

现代生物医学研究上提出杂化生物材料，人工胰也是研究较多的一种代谢器官。胰岛细胞可采用猪、大鼠、人类等胰脏细胞。采用高分子膜材料很多，比较成功的有聚赖氨酸—海藻酸体系、聚丙烯酸酯体系、壳聚糖—海藻酸体系等。采