膜分离工程第二章膜材料与制备
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第二章 膜分离技术 PPT课件
优先吸附—毛细孔流动模型示意图
溶解－扩散模型
• 此模型认为膜是一种完全致密的中性界面， 是非多孔性的 a. 渗透物在膜的料液侧表面处吸附和溶解 b. 渗透物在化学位差的推动下靠分子扩散通 过膜 c. 渗透物在膜的透过液侧解吸 • 第二阶段决定了膜的透过速率，速率=推 动力/阻力
四、影响反渗透操作的因素
五、表征膜性能的参数
膜的物化稳定性：膜的强度、允许使用的压 力、温度、pH以及对有机溶剂和化学药品 的耐受力，是决定膜使用寿命的主要因素。 膜的分离性能 1 c 1.分离效率：表观截留率 Re c 100 % Jw=V/St 2.渗透通量： 3.通量衰减系数： Jt=J1tn
p b
• （一）氢键和结合水－孔穴有序扩散模型 • （二）优先吸附毛细管流模型 • （三）溶解－扩散模型
氢键和结合水－孔穴有序扩散模型
• Reid针对醋酸纤维素膜提出的 • 水与醋酸纤维素羰基上的氧原子形成氢键而构成 结合水 • 结合水占满孔径 • 在压力作用下，溶液中的水分子与醋酸纤维素羰 基上的原子形成氢键，而原来水分子间形成的氢 键被断开，水分子解离出来和羰基上的原子形成 新的氢键。 • 膜的多孔层存在大量的毛细管水，水分子能畅通 流出膜外-孔穴扩散
聚砜膜有如下特点
（1）有较高的滤液流量和较好的截留性能。 （2）能耐75℃的高温；耐pH范围宽，达pH 1~13。 （3）耐氯性强，耐游离氯高达50 mg/kg。 （4）耐压不高，一般低于0.17 MPa。
材料
二醋酸纤维素 三醋酸纤维素 混合醋酸纤维素 硝酸纤维素 醋酸硝酸纤维素 醋酸丁酸纤维素 醋酸磷酸纤维素 氰乙基纤维素 聚丙烯晴 聚氯乙烯 芳香酰胺 芳香族聚酰胺酰肼 聚砜
控制浓差极化的措施
《膜分离技术》PPT课件
2021/6/10
5
膜科学的发展史
年代
科学家
主要内容
1748 1827
Abbe Nollet Dutrochet
水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生 渗透现象
名词渗透作用（Osmosis）的引入
1831
J.V.Mitchell 气体透过橡胶膜的研究
1855
Fick
发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散； 制备了早期的人工半渗透膜
用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反 渗透现象
obain..etc
1930
Teorell， Meyer，
Sievers
进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础
1944
William Kolff
初次成功使用了人工肾
1950
Juda， Mcrae
合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等 分离工程
6
续表：
1911
Donnan
Donnan分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分 布，Donnan电渗析和伴生传递的平衡现象
1922
Zsigmondy Bachman
微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材 料为赛璐玢和再生纤维）
Fofirol..etc
1920
Mangold， Michaels.M
掌握了化工的未来”
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6.1 膜材料 与膜的制造
2021/6/10
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膜材料的特性
• 对于不同种类的膜都有一个基本要求：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较 高的压力，一般模操作的压力范围在 0.1~0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为 0.1~10MPa
膜分离技术概论和材料制备过程讲解
反渗透膜装置
膜器 膜分离装置
管式膜
平板膜、卷式膜支撑材料
管式膜过滤设备
小型实验室平板超滤膜装置
1.3 膜分离的基本原理
分离膜具有选择透过特性，所以它可以使混 合物质有的通过、有的留下。但是，不同的 膜分离过程，它们使物质留下、通过的原理 有的类似，有的完全不一样。
总的说来，分离膜之所以能使混在一起的物 质分开，不外乎两种手段。
膜必定有两个界面，并由这两个界面分别 与被其分隔于两侧的流体相物质相接触。
膜的定义
膜不是普通的塑料膜或皂泡膜，而是那 些具有一定特殊性能(例如，半透、电学、 光学、识别及反应等特性)的膜。对分离膜 来说，可将它看作是两相之间的一个半渗透 的隔层，该隔层按一定的方式截留分子。因 此，两相间的膜必须起到隔层的作用，以阻 止两相的直接接触。该隔层可以是固体、液 体，甚至是气体的，半渗透性质主要是为了 保证分离效果。
当代工业的三大支柱是材料、能源 和信息。这三大产业的发展都离不开新 的分离技术。人类生活水平的进一步提 高也有赖于新的分离技术。在21世纪，
分离技术必将日新月异，再创辉煌。
1.2 分离和膜分离
将自然界的混合物分开可以采取各种方法。 例如:
蒸馏 吸附方法 变压吸附方法 混合物之所以能被分离，是由于它们之间
满足人类对生活改善日新月异的需求。例如：
从简单的蒸馏发展到减压蒸馏、多级闪蒸、
压汽蒸馏；从简单的吸附发展到变压吸附、
气相色谱、高压液相色谱；从筛网发展到精 密过滤、膜分离等。
膜分离
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代 后迅速崛起的一门分离新技术。顾名思义，膜 分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性 能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、 提纯、浓缩的一种分离新方法。这种薄膜必须 具有使有的物质可以通过、有的物质不能通过 的特性。膜可以是固相、液相或气相。目前使 用的分离膜绝大多数是固相膜。
《膜科学与技术》思考题
《膜科学与技术》思考题第一章导论1．什么是膜分离过程，用图加以解释。
答：膜分离过程以选择透过性膜（固体、液体、气体）为分离介质，当膜两侧存在某种推动力时，原料侧的组分选则性地透过膜以达到分离和提纯的目的。
2．膜分离过程的特点是什么？与传统分离过程相比最明显的优势在哪里？答：1. 是一个高效的分离过程。
分离系数高达80。
2. 能耗低。
被分离物质不发生相变化，分离过程通常在常温下进行。
3. 设备简单，占地面积小，操作十分便捷，可靠度高。
4 放大效应小。
设备的规模和处理能力可在很大程度上变化，而效率、设备的单价和运行费用变化不大。
3．膜分离技术主要的分离过程有哪些？这些过程所分离的对象是属于哪种状态的物质？答：反渗透Reverse Osmosis (RO) : 分离离子例如：海水脱盐、纯水制备超滤Ultra filtration (UF) ：分离分子例如：果汁的澄清、含油废水处理微滤Micro filtration (MF) ：分离粒子例如：城市污水处理气体分离Gas Permeation (GP) ：分离气体分子例如：富集氧气、氢气回收4．画出膜组件的示意图，标出各物流名称。
5．膜组件有哪几种形式？中空纤维膜组件(Hollow Fiber Module螺旋卷式膜组件(Spiral Wound Module)管式膜组件(Tubular Module平板式膜组件(Plate and Frame Module)毛细管式膜组件(Capillary Module)6．60年代，Souriajan –Lone 研制的是什么膜？60年代,Lobe 和Souriajan 共同研制了具有高脱盐率和高透水量的非对称醋酸纤维素(CA)膜,使反渗透过程由实验室转向工业应用.与此同时,这种用相转化技术制备的具有超薄分离皮层膜的新工艺引起了学术和工业界的广泛重视,在它的推动下,随后迅速掀起了一个研究各种分离膜和发展各种膜过程的高潮.7．R O、UF、GS分别代表哪些膜过程？RO—表示反渗透过程UF—表示超滤GS—表示气体分离过程第二章膜材料和膜的制备1．选择膜材料要考虑哪些方面的因素？答：具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、耐微生物性、耐氧化性。
膜分离工程第二章：膜材料与制备
膜有压实现象，高压下通量降低； 易被生物降解
常用来制备非对称反渗 透膜，也可制备卷式 超滤膜和纳滤膜。
7
醋酸纤维素膜的结构示意图
1% 表皮层，孔径 （8－10）×10－10m 过渡层，孔径 200×10－10m 99％ 多孔层，孔径 （1000－4000） ×10－10m
8
2聚砜类
优 点
28
致密膜的制备
溶剂蒸发法 压延法 拉伸法
29
溶剂蒸发法
溶剂蒸发法（溶液浇铸法）即：将膜材料用适 当溶剂溶解，制成均匀的铸膜液，将其倾倒在 铸膜板上，用特制刮刀使之铺展成具有一定厚 度的均匀薄层，然后移至特定环境中让溶剂完 全挥发，从而形成均匀的薄膜
30
高分子膜的制备
非对称膜的制备
15
8含硅聚合物
聚二甲基硅氧烷（PDMS）
低温固化硅橡胶主要用于气体分离膜的皮层， 具有较好的透气性和选择性
聚三甲基硅烷基丙炔（PTMSP）
化学稳定性好，耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐热性能好。亲水性差。
16
膜的制备
要求： （1）透过速度 （2）选择性 （3） 机械强度 （4） 稳定性
17
2
无机膜材料
陶瓷
金属 无机膜材料 玻璃 分子筛 无机高分子
氧化铝、氧化硅、氧化锆等
钯、铝、银等 硼酸盐玻璃等 碳分子筛等 聚磷嗪、聚硅氧烷等
3
无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为材料。
从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜 三种。以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要 利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成， 膜厚方向上不对称。
常用来制备非对称反渗 透膜，也可制备卷式 超滤膜和纳滤膜。
7
醋酸纤维素膜的结构示意图
1% 表皮层，孔径 （8－10）×10－10m 过渡层，孔径 200×10－10m 99％ 多孔层，孔径 （1000－4000） ×10－10m
8
2聚砜类
优 点
28
致密膜的制备
溶剂蒸发法 压延法 拉伸法
29
溶剂蒸发法
溶剂蒸发法（溶液浇铸法）即：将膜材料用适 当溶剂溶解，制成均匀的铸膜液，将其倾倒在 铸膜板上，用特制刮刀使之铺展成具有一定厚 度的均匀薄层，然后移至特定环境中让溶剂完 全挥发，从而形成均匀的薄膜
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高分子膜的制备
非对称膜的制备
15
8含硅聚合物
聚二甲基硅氧烷（PDMS）
低温固化硅橡胶主要用于气体分离膜的皮层， 具有较好的透气性和选择性
聚三甲基硅烷基丙炔（PTMSP）
化学稳定性好，耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐热性能好。亲水性差。
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膜的制备
要求： （1）透过速度 （2）选择性 （3） 机械强度 （4） 稳定性
17
2
无机膜材料
陶瓷
金属 无机膜材料 玻璃 分子筛 无机高分子
氧化铝、氧化硅、氧化锆等
钯、铝、银等 硼酸盐玻璃等 碳分子筛等 聚磷嗪、聚硅氧烷等
3
无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为材料。
从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜 三种。以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要 利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成， 膜厚方向上不对称。
聚合物薄膜材料的制备及其在膜分离中的应用
聚合物薄膜材料的制备及其在膜分离中的应用近年来，膜分离技术在化学、环境保护、能源、生物医药等领域得到广泛应用，其中聚合物薄膜材料是一种应用广泛的膜分离材料。
本文将介绍聚合物薄膜材料的制备方法和在膜分离中的应用。
一、聚合物薄膜材料的制备方法1. 界面聚合法界面聚合法是一种将单体在界面上高效聚合形成聚合物薄膜的方法。
界面聚合法的优点是：制备方便、对应的单体种类丰富、制备薄膜的化学结构可控、可用于制备多种用途的薄膜材料。
在此方法中，单体被溶于油相中，油相和水相的界面上同时存在十一烷基三甲基氯化铵（CTAC），CTAC是在两相之间形成的表面活性剂，用单体在此界面上通过黏附或简单地在油相中进行自由单体聚合，最终形成非常薄的聚合物薄膜。
此方法易于控制单体的聚合反应速度，并利用表面活性剂的作用使薄膜形成速度加快。
此方法可制备具有多种形态的薄膜，包括平滑、微孔、不规则孔洞的聚合物薄膜。
2. 溶液吸附法溶液吸附法是将聚合物颗粒或分子溶解于有机溶剂中，然后再将这种溶液直接涂覆于其它材料的表面，最终通过蒸发掉溶剂，形成聚合物薄膜。
这种方法是快速、简单、易于控制，所得到的聚合物薄膜具有可伸缩性、可拉伸性和柔韧性。
应用溶液吸附法制备的聚合物薄膜其具有较高的机械强度，能够在周围环境变化的情况下承受较大的压力和挤压力。
3. 放电聚合法放电聚合法是电化学聚合的一种形式，是通过印刷机或其它工具，在薄膜表面上刻画出有规律的光栅结构，然后用电场来促进聚合物形成。
单体在外电场的激发下被激励成为一个高反应性的状态，其聚合反应速率也变得更快。
在这个过程中，放电产生的电子会与单体反应，并成功地将单体聚合成聚合物。
这种方法能够制备晶体薄膜、渗透膜、分子筛等无机聚合物，还可以制备氢燃料电池等膜分离材料。
二、聚合物薄膜材料在膜分离中的应用1. 聚合物薄膜的分离性能在物性和化学性方面都具有优异的性能，非常适合用于固液分离、气液分离和液液分离。
聚合物薄膜的分离性能与用途有关，例如，超滤膜可用于清除水中的各种离子和颗粒，电解水处理膜则用于除去各种有毒化合物和农药残留物。
第二章 第四节膜组件
2013-7-9
21
A cross-flow hollow fiber module used to obtain better flow distribution and reduce concentration polarization (the Tyobo Hollosep reverse osmosis module). Feed enters through the perforated central pipe and flows towards the module shell
2013-7-9
32
板框式膜组件特点
构造比较简单，且可单独更换膜片；
可作为试验机，将各种膜样品同时安装在一起进 行性能检测；
流道的断面积可适当增大，压降较小，线速度可 达1~5m/s，且不易被纤维屑等异物堵塞； 为促进膜组件内的湍流效果，不少厂家将原液导 流板的表面设计成各式凹凸或波纹结构或在膜面 配置筛网等物。
39
Horizontal DDS plate-and-frame ultrafiltration system. Courtesy of Alfa Laval Nakskov A/S, Naksvov, Denmark
2013-7-9
40
四. 膜组件形式之四——螺旋卷式
螺旋卷式(简称卷式)膜组件的结构是由中间为多孔 支撑材料，两边是膜的“双层结构”装配组成的。 其中三个边沿被密封而粘结成膜袋状，另一个开 放的边沿与一根多孔中心产品水(液)收集管连接， 在膜袋外部的原水侧再垫一层网眼型间隔材料 （隔网），也就是把膜~多孔支撑体~膜~原水侧隔 网依次叠合，绕中心集水管紧密地卷在一起，形 成一个膜元件，再装进圆柱型压力容器里，构成 一个螺旋卷式膜组件。
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A cross-flow hollow fiber module used to obtain better flow distribution and reduce concentration polarization (the Tyobo Hollosep reverse osmosis module). Feed enters through the perforated central pipe and flows towards the module shell
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板框式膜组件特点
构造比较简单，且可单独更换膜片；
可作为试验机，将各种膜样品同时安装在一起进 行性能检测；
流道的断面积可适当增大，压降较小，线速度可 达1~5m/s，且不易被纤维屑等异物堵塞； 为促进膜组件内的湍流效果，不少厂家将原液导 流板的表面设计成各式凹凸或波纹结构或在膜面 配置筛网等物。
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Horizontal DDS plate-and-frame ultrafiltration system. Courtesy of Alfa Laval Nakskov A/S, Naksvov, Denmark
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四. 膜组件形式之四——螺旋卷式
螺旋卷式(简称卷式)膜组件的结构是由中间为多孔 支撑材料，两边是膜的“双层结构”装配组成的。 其中三个边沿被密封而粘结成膜袋状，另一个开 放的边沿与一根多孔中心产品水(液)收集管连接， 在膜袋外部的原水侧再垫一层网眼型间隔材料 （隔网），也就是把膜~多孔支撑体~膜~原水侧隔 网依次叠合，绕中心集水管紧密地卷在一起，形 成一个膜元件，再装进圆柱型压力容器里，构成 一个螺旋卷式膜组件。
膜分离技术PPT
优化膜结构
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
1 2
3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
3
纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
1 2
3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
3
纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
第二章膜材料及表面改性
目前使用的大多数膜的材料是聚丙烯（PP）、聚乙烯，聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、聚砜、聚醚讽和 聚氯乙烯等。当这些膜与欲分离的物质相接触时，在膜表面和孔内的污染物聚集，使得膜通量随运 行时间的延长而下将，特别是当聚合物膜材料用于生物医药领域中（如血液透析）时，在膜表面吸 附的蛋白质加速纤维性和抗生素碎片在膜表面的聚集（血液相容性），导致一系列的生物反应，例 如形成血栓及免疫反应。因此，为了拓展分离膜的应用，通常需要对膜材料进行改性或改变膜表面 的物理化学性能，赋予传统分离膜更多功能，增大膜的透水性，提高膜的抗污染性，改善膜的生物 相容性。对膜材料的改性的方法有物理改性和化学改性。
第二章膜材料及表面改性
1
2.1.1纤维素衍生物类
纤维素是资源最为丰富的天然高分子，由于纤维素的分子量很大，在分解温度前没有熔点，且不溶 于通常的溶剂，无法加工成膜，必须进行化学改性后应用。
（1）再生纤维素 纤维素的相对分子质量在50万~200万，在溶解过程中降解，再生纤维素的相对分子质量约在几万
2.1.2 聚砜类
聚砜是一类耐高温强度工程塑料，具有优异的抗蠕变性能，故自双酚A型聚砜（PSf）出现后，即 继醋酸纤维素之后发展成为目前最重要、生产量最大的合成膜材料，可用作制备微滤膜和超滤膜， 也可用作反渗透和气体分离膜的底膜。
（1）双酚型聚砜（PSf）
由双酚A的二钾盐与二氯二苯砜在二甲亚砜溶液中经亲核缩聚反应合成，聚砜的玻璃化转变温度为 190℃，其制成膜后可在80 ℃ 下长期使用，主要用于超滤和气体分离膜。
2.1.7无机和金属类
无机和金属材料包括金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料，与聚合物分离 膜相比具有如下优点：
（1）化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂； （2）机械强度大，承载无机膜或金属膜可承受几十个大气压的外压，并可反向冲洗； （3）抗微生物能力强，不与微生物发生作用，可以在生物工程及医学科学领域中应用； （4）耐高温，一般均可以在400℃下操作，最高可达800 ℃。 不足之处在于造价较高，并且无机材料脆性大，弹性小，给膜的成型加工及组件装备带来一定的困
膜材料与分离过程
纳滤
压力差
复合膜
反渗透
压力差
溶剂的扩散 传递
水、溶剂
溶质、盐
非对称复合 膜
微孔过滤技术应用
• 1、微粒和细菌的过滤，用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、 药液的过滤、发酵工业的空气净化。 • 2、微粒和细菌的检测。 • 3、气体和溶液、水的净化。 • 4、食糖和酒类的精制。 • 5、药物的除菌和除微粒。
超滤技术的应用
• 北京清大膜科膜技术有限公司制作的小孔径卷式超滤膜 • [应用领域]： 1. 环保领域：污水处理与回用 印染、氧化铝、煤化 工、造纸、石油石化废水处理与回用，已建污水厂的升级改造等。 • 2. 反渗透（RO）系统的预处理、净水过滤 • 3. 产品澄清、提纯：食品行业酱油、米醋、米酒、药酒等澄清分 离 • 4. 电泳涂装领域
超滤技术的应用
• 产品优点 突出优点： （1） 强度高，通量大，不存在断丝现象，100%无漏点，出水水 质稳定可靠； （2） 对污水中的胶体类COD、色度有直接去除效果，效率在30% 以上； （3） 具备优良的亲水性能，耐污染，使用寿命长； （4） 不需要反洗，运行维护方便； （5） 单位体积膜面积大，可减少膜使用量，
膜材料和分离技术Байду номын сангаас发展前景
• 目前，我国面临淡水资源极度短缺、水环境严重污染的困局。膜 法水处理技术具有出水水质高的特点，可满足提高饮用水水质、 提高污水排放水质、实现再生水回用、实现海水淡化的各类需求， 可助中国脱离水资源困局。这就为膜产业发展提供了广阔天地。 • 市场人士认为，在水处理膜突破发展的机遇中，从膜技术产业 链——膜材料－膜组器－膜应用工程分析，具备整体膜产业链产 品和服务的公司更具有竞争优势。
膜的分类
新型分离技术--第二章___膜分离(4-2)
靠近膜并进入膜孔隙，而排斥带负电荷的离子。
如果膜外溶液浓度很大，则双电层厚度会变薄，可能 导致非选择性透过阴离子。
Sollner双电层理论
（1）异性电荷相吸； （2）膜中固定离子越多，静电吸引力越强，膜的选择 性越好。 （3）在电场作用下，溶液中的阳（阴）离子定向连续 迁移通过带负电荷的阳（阴）离子交换膜。
化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研究，以
期降低燃料电池的成本。
2 电化学反应
阳极： 2Cl- —
2e- = Cl2 ↑（氧化反应）
2OH- — 2e- = 1/2O2 + H2O
阴极：
2H+ + 2e- = H2 ↑
（还原反应）
1/2O2 + H2O + 2e- = 2OH-
阳极室内溶液中的化学反应
电渗析极化导致耗电量增加，膜的寿命降低。 极限电流是指电渗析发生极化时的临界电流。
极限电流密度是指通过单位面积离子交换膜的极限电 流。
ilim ki c V n
m
ilim为极限电流密度， c 为电渗析淡水室进出口离子的 对数平均浓度，V为淡水流线速度，ki为水力常数， m,n也为常数。
当电极间距为0.52mm时，理论分解电压及膜电压 降两项之和占槽电压的90%左右。
理论分解电压
理论分解电压指电解质开始分解时所必需的最低电压。 可用方程来计算：
Q dE V 0 T nF dT
dE 为温度系数。 Q为反应的热效应； dT
离子膜电压降
离子膜电压降由膜本身具有一定的电阻引起的。 膜电压与制备膜的聚合物种类、膜的厚度和运转条件 有关。
如果膜外溶液浓度很大，则双电层厚度会变薄，可能 导致非选择性透过阴离子。
Sollner双电层理论
（1）异性电荷相吸； （2）膜中固定离子越多，静电吸引力越强，膜的选择 性越好。 （3）在电场作用下，溶液中的阳（阴）离子定向连续 迁移通过带负电荷的阳（阴）离子交换膜。
化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研究，以
期降低燃料电池的成本。
2 电化学反应
阳极： 2Cl- —
2e- = Cl2 ↑（氧化反应）
2OH- — 2e- = 1/2O2 + H2O
阴极：
2H+ + 2e- = H2 ↑
（还原反应）
1/2O2 + H2O + 2e- = 2OH-
阳极室内溶液中的化学反应
电渗析极化导致耗电量增加，膜的寿命降低。 极限电流是指电渗析发生极化时的临界电流。
极限电流密度是指通过单位面积离子交换膜的极限电 流。
ilim ki c V n
m
ilim为极限电流密度， c 为电渗析淡水室进出口离子的 对数平均浓度，V为淡水流线速度，ki为水力常数， m,n也为常数。
当电极间距为0.52mm时，理论分解电压及膜电压 降两项之和占槽电压的90%左右。
理论分解电压
理论分解电压指电解质开始分解时所必需的最低电压。 可用方程来计算：
Q dE V 0 T nF dT
dE 为温度系数。 Q为反应的热效应； dT
离子膜电压降
离子膜电压降由膜本身具有一定的电阻引起的。 膜电压与制备膜的聚合物种类、膜的厚度和运转条件 有关。
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6芳香聚合物
聚碳酸酯 主要用于核径迹刻蚀法制核孔微滤膜，也是气体分离（氧/氮）膜
聚酯
化学稳定性好，吸湿性小，强度高，尺寸稳定性好，耐热、 耐溶剂性能好。
主要用作多种膜组件的衬布和支撑体
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膜分离工程第二章膜材料与制备
7含氟聚合物
聚四氟乙烯 憎水性强；耐强酸强碱侵蚀；耐热性好。适合处理蒸汽和腐蚀性液体。 通过拉伸和热致相分离法制备膜蒸馏用膜
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膜分离工程第二章膜材料与制备
5聚烯烃类
聚丙烯
n 耐酸碱性、耐溶剂性和耐热性好； n 亲水性差
微滤膜材料,常采用拉伸法制备平板膜和热致相分离制中空纤维膜
聚氯乙烯
耐酸碱、耐微生物侵蚀、通量大，但热稳定性和耐光性差。
主要用于制备超滤膜
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膜分离工程第二章膜材料与制备
n 优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。 n 缺点：不易加工，造价高。
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膜分离工程第二章膜材料与制备
有机高分子膜材料
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膜分离工程第二章膜材料与制备
膜材料 - 不同的膜分离技术
微滤膜：硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯， n 超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 n 反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺 n 纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜 n 透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺 n 电渗析：离子交换树脂 n 渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚
乙烯醇、聚丙稀酰胺
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膜分离工程第二章膜材料与制备
1醋酸纤维素
二醋酸纤维素（CA）三醋酸纤维素（CTA）
n 亲水性好,利于减轻膜污染；
优 n 可制备从反渗透到微滤不同孔径的膜并具有较高通量； 点 n 成膜性能好，易于制备
n 成本低、无毒。
操作温度范围窄（30℃）
缺 pH 范围窄，一般为3-6，以防止水解；
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膜分离工程第二章膜材料与制备
5聚烯烃类
聚丙烯啨
n 化学性能稳定;耐热性好 n 亲水性差
重要的超滤和微滤膜材料,也可制备渗透汽化膜
聚乙烯
低密度聚乙烯可通过热致相分离和拉伸方法成膜 化学性能稳定;耐有机物污染、通量大，但耐温性差。
高密度聚乙烯可通过烧结法制备微滤膜 耐溶剂性、透气性、透湿性、机械性能较好，电性能差。
•×（1100－0100m－4000）
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膜分离工程第二章膜材料与制备
2聚砜类
n 化学稳定性好，耐酸、碱、醇和脂肪烃；
优 点
n n n
pH 范围宽（1-13），利于膜清洗； 耐热性好（使用温度可达75度），利于消毒； 耐氯性和抗氧化性较好；
n 具有较宽的孔径范围(1nm-0.2μm)
具有疏水性，易污染；
聚偏氟乙烯
化学稳定性好，耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐热性能好。亲水性差。
可以采用相转化法制备超滤膜和微滤膜
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膜分离工程第二章膜材料与制备
8含硅聚合物
聚二甲基硅氧烷（PDMS）
低温固化硅橡胶主要用于气体分离膜的皮层， 具有较好的透气性和选择性
聚三甲基硅烷基丙炔（PTMSP）
化学稳定性好，耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐热性能好。亲水性差。
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膜分离工程第二章膜材料与制备
无机膜材料
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膜分离工程第二章膜材料与制备
n 无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为材料。 从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜 三种。以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要 利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成， 膜厚方向上不对称。
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膜分离工程第二章膜材料与制备
膜的制备
n 要求： n （1）透过速度 n （2）选择性 n （3） 机械强度 n （4） 稳定性
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膜分离工程第二章膜材料与制备
膜的结构分类
按膜的结构分为： 对称膜(Symmetric Membrane) 非对称膜(Asymmetric Membrane) 复合膜(Composite Membrane)
膜分离工程第二章膜材 料与制备
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2020/12/16
膜分离工程第二章膜材料与制备
膜材料的特性
n 对于不同种类的膜都有一些基本要求：
q 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力， 一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透膜的压力更 高，约为1~10MPa
q 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 q 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； q 化学相容性：保持膜的稳定性； q 生物相容性：防止生物大分子的变性； q 成本低；
点 与氯作用，寿命降低；
常用来制备非对称反
膜有压实现象，高压下通量降低； 易被生物降解
渗透膜，也可制备卷 式超滤膜和纳滤膜。
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膜分离工程第二章膜材料与制备
醋酸纤维素膜的结构示意图
•1%
•表皮层，孔径
•（8－10）×10－10m
•过渡层，孔径 •200×10－10m
•99 ％
•多孔层，孔径
缺 点
易被蛋白类溶质污染。
可制备反渗透复合膜。
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膜分离工程第二章膜材料与制备
4聚酰亚胺(PI)
n 高吸水性，具有较高的通量和较低的截留分子量；
优 n 热稳定性较好(耐温125度)； 点 n pH 范围宽（4-11）； 缺 耐氯性能较差； 点 易污染。
可制备反渗透复合膜、超滤膜和气体分离膜。
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膜分离工程第二章膜材料与制备
n 对称膜厚度10-200μm。致密膜孔径在1.5nm 以下，而微孔膜是相对致密膜而言，其孔径大 于1.5nm。
n 非对称膜由厚度0.1-1 μm的致密皮层和厚度 50-200 μm的多孔支撑层构成。分为非对称膜 和复合膜。二者区别：复合膜致密皮层和支撑 层不是一次同时形成，而是分两次制成；皮层 的材料一般与支撑层材料不同。
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膜分离工程第二章膜材料与制备
缺 点
耐压能力较差。
可制备超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜，可制成 不同的组件形式。
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膜分离工程第二章膜材料与制备
3芳香聚酰胺(PA)
n 高吸水性，具有较高的通量和较低的截留分子量；
优 n 机械稳定性、热稳定性较好； 点 n pH 范围宽（4-11）；n 操 Nhomakorabea压力要求低
耐氯性能较差；