分离科学---第九章 膜分离
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浓度、膜的预处理方法等）
浓差极化：被膜截留的大分子在膜表面积聚浓度升高，在浓度 梯度的作用下，接近膜面的溶质又以反方向向料液主体扩散， 平衡状态下在膜表面形成一个溶质浓度分布边界层，对溶剂等
17
小分子溶质的运动起到阻碍作用。
第九章 膜分离
分离膜和膜组件 (1)材质相态： 固体膜 液体膜 气膜
18
第九章 膜分离
21
第九章 膜分离
(6)其他： 亲水膜 疏水膜 平板膜 管式膜 中空纤维膜 核孔膜（垂直于膜表面的圆柱形孔）等等
22
膜分离组件
第九章 膜分离
23
第九章 膜分离
24
第九章 膜分离
25
第九章 膜分离
四种膜组件的优缺点比较
项目 中空纤维式 螺旋卷式 平板式 管式
价格/(元/m2) 填充密度
40-150 高
12
第九章 膜分离
溶胶-凝胶法 悬浮胶体凝胶和聚合凝胶两种途径。 能发生水解-聚合的前驱物，控制水解和
聚合的过程得到相应的结构。
13
第九章 膜分离
膜的性质： (1)孔径大小与分布 (2)孔隙率 (3)表面积
14
第九章 膜分离
膜的性能指标： (1)分离效率R (2)渗透通量J (3)通量衰减系数m
250-800 800-2500 400-1500
中
低
低
清洗
难
中
易
易
压力降
高
中
中
低
可否高压
可
可
较难
较难
与凝固液立即相互扩散，急速造成相分离， 形成凝胶。
凝胶层中的剩余溶剂和添加剂进一步被凝 固液中的液体交换出来后，形成多孔膜，制 得的多孔膜大多数为正反面结构不同的不对 称膜。
10
第九章 膜分离
热致相分离法 将只能在较高温度时才能互溶的聚合物和
增塑剂先加热融合，再流延或铺成薄层后冷 却，温度下降到某一温度以下时，聚合物链 相互作用成为凝胶结构，相分离形成细孔。
该法制得的膜孔径为0.1-10m，孔隙率一 般较低，只有10-20%。
可采用该方法制备的膜有各种聚合物材料、 金属、陶瓷、石墨、玻璃。
6
第九章 膜分离
拉伸法
在相对低的熔融温度和高应力下挤出薄膜
或纤维，聚合物分子会沿拉伸方向排列成微
区，成核，形成垂直于拉伸方向的链折叠微
晶片，冷却后在略低于熔点温度下进行第二
(2)来源： 天然 合成（无机，有机高分子） (3)膜体结构： 固膜分为致密膜和多孔膜 液膜结构完全不同。
19
第九章 膜分离
(4)膜断面的物理形态： 对称膜 不对称膜（极薄表面活性层加上下部的多孔 支持层） 复合膜（不同材料膜分别制成表面活性层和 支持层）
20
第九章 膜分离
(5)膜功能： • 离子交换膜 • 渗析膜 • 超过滤膜 • 反渗透膜 • 渗透汽化膜 • 气体渗透膜
过滤、脱气、铺成薄层 良性溶剂挥发
聚合物 良性溶剂完全溶解聚合物
溶胶转化成凝胶
不良溶剂能使聚合物溶胀而不溶解
或只能和良性溶剂一起才能使聚合 物溶解
凝胶继续蒸发溶剂
致孔剂是不能使聚合物溶解或溶胀， 含量稍多时使聚合物析出的溶剂。
wenku.baidu.com
收缩定形成膜 9
第九章 膜分离
浸没凝胶法 铸膜液浸入水中或其他凝固液中，使溶剂
1
第九章 膜分离
20 世 纪 60 年 代 ， 海 水 淡 化 的 需 要 ， Loeb 和 Sourirajan利用相转化制膜法(L-S制膜法)制备了世 界上第一张实用的反渗透膜。
20世纪60年代开始，发展出液膜分离技术。支撑 性液膜，不带固膜支撑的新型液膜，带流动载体 的液膜。
20世纪80年代开始，出现了气态膜，由充满在疏 水性多孔聚合物膜空隙中的气体构成，透过速度 快。
第九章 膜分离
膜技术发展历史
1748年，Nollet发现水自发扩散透过猪膀胱壁进 入酒精中。
1864年，Traube研制了人类历史上第一张人工膜亚铁氰化铜膜
20世纪30年代德国建立了世界上首座生产微滤膜 的工厂用于过滤微生物等微小粒子。
20世纪50年代，原子能工业的发展促使离子交换 膜应运而生，并在此基础上发展了电渗析工业。
R
1
Cp Cb
100%
JV St
Jt J1 tm
lg Jt lg J1 m lg t
15
第九章 膜分离
(4)截留性能：
截留率：对一定分子量的物质膜所能截留
的程度
截留分子量：截留率大于90%对应的分子
量，从分子量-截留率曲线中获得。
截留率越高、 截留范围越窄的膜越好。
相分离后的凝胶进入萃取液中除去增塑剂， 基本上得到对称结构的膜。
11
第九章 膜分离
核径迹刻蚀法 均质聚合物膜置于核反应器的带电粒子束
照射下，带电粒子通过膜时，打断了膜内聚 合物链节，留下感光径迹，通过刻蚀浴，内 溶液优先刻蚀掉感光的核径迹，形成孔。
照射时间长短决定膜孔数目，刻蚀时间长 短决定孔径大小。分布均匀，圆柱形毛细管。
膜可以是全透的，或者半透的，但不能 是完全不透的，否则就是隔片。
4
第九章 膜分离
膜的制备方法： 烧结法 拉伸法 相转化法 核径迹刻蚀法 溶胶-凝胶法
5
第九章 膜分离
烧结法： 一定大小的颗粒粉末压缩后在高温下烧结，
过程中，粒子表面逐渐变软至熔，颗粒间界 面逐渐消失，最后相互黏结成多孔体。
截留范围与膜孔径、膜材料及材料表面的物理化学性质
有关。
测定截留分子量三类标准物质：球形蛋白、带支链的多
糖（葡聚糖）、线性分子聚乙二醇等。
16
第九章 膜分离
影响截留分子量的因素：
1. 溶质的形状和大小 2. 溶质与膜材料之间的相互作用 3. 浓差极化 4. 批间偏差 5. 膜孔的结构和测试条件（压力、温度、错流速度、
次拉伸，在机械应力下结晶区域会发生小的
断裂，从而得到多孔结构，该法制得的膜孔
径为0.1-3m，孔隙率远高于烧结法，可达到
90%。
7
第九章 膜分离
相转化法 分为控制溶剂蒸发凝胶法、浸没凝胶法和
热致相分离法。
8
第九章 膜分离
溶 剂 蒸 发 铸膜液 凝 胶 法 制 良性溶剂 膜的过程 不良溶剂
致孔剂
2
第九章 膜分离
膜分离过程特点： 能耗低、化学品消耗少 操作方便、不产生二次污染 避免组分受热变质或混入杂质 分离效率高 膜强度较差，使用寿命有限，易被污染影
响分离效率
3
第九章 膜分离
膜的概念： 一个流体相或者两个流体相分隔开成为两
部分的一薄层凝聚态物质。 流体相： 液、气 膜： 固、液、气
浓差极化：被膜截留的大分子在膜表面积聚浓度升高，在浓度 梯度的作用下，接近膜面的溶质又以反方向向料液主体扩散， 平衡状态下在膜表面形成一个溶质浓度分布边界层，对溶剂等
17
小分子溶质的运动起到阻碍作用。
第九章 膜分离
分离膜和膜组件 (1)材质相态： 固体膜 液体膜 气膜
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第九章 膜分离
21
第九章 膜分离
(6)其他： 亲水膜 疏水膜 平板膜 管式膜 中空纤维膜 核孔膜（垂直于膜表面的圆柱形孔）等等
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膜分离组件
第九章 膜分离
23
第九章 膜分离
24
第九章 膜分离
25
第九章 膜分离
四种膜组件的优缺点比较
项目 中空纤维式 螺旋卷式 平板式 管式
价格/(元/m2) 填充密度
40-150 高
12
第九章 膜分离
溶胶-凝胶法 悬浮胶体凝胶和聚合凝胶两种途径。 能发生水解-聚合的前驱物，控制水解和
聚合的过程得到相应的结构。
13
第九章 膜分离
膜的性质： (1)孔径大小与分布 (2)孔隙率 (3)表面积
14
第九章 膜分离
膜的性能指标： (1)分离效率R (2)渗透通量J (3)通量衰减系数m
250-800 800-2500 400-1500
中
低
低
清洗
难
中
易
易
压力降
高
中
中
低
可否高压
可
可
较难
较难
与凝固液立即相互扩散，急速造成相分离， 形成凝胶。
凝胶层中的剩余溶剂和添加剂进一步被凝 固液中的液体交换出来后，形成多孔膜，制 得的多孔膜大多数为正反面结构不同的不对 称膜。
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第九章 膜分离
热致相分离法 将只能在较高温度时才能互溶的聚合物和
增塑剂先加热融合，再流延或铺成薄层后冷 却，温度下降到某一温度以下时，聚合物链 相互作用成为凝胶结构，相分离形成细孔。
该法制得的膜孔径为0.1-10m，孔隙率一 般较低，只有10-20%。
可采用该方法制备的膜有各种聚合物材料、 金属、陶瓷、石墨、玻璃。
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第九章 膜分离
拉伸法
在相对低的熔融温度和高应力下挤出薄膜
或纤维，聚合物分子会沿拉伸方向排列成微
区，成核，形成垂直于拉伸方向的链折叠微
晶片，冷却后在略低于熔点温度下进行第二
(2)来源： 天然 合成（无机，有机高分子） (3)膜体结构： 固膜分为致密膜和多孔膜 液膜结构完全不同。
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第九章 膜分离
(4)膜断面的物理形态： 对称膜 不对称膜（极薄表面活性层加上下部的多孔 支持层） 复合膜（不同材料膜分别制成表面活性层和 支持层）
20
第九章 膜分离
(5)膜功能： • 离子交换膜 • 渗析膜 • 超过滤膜 • 反渗透膜 • 渗透汽化膜 • 气体渗透膜
过滤、脱气、铺成薄层 良性溶剂挥发
聚合物 良性溶剂完全溶解聚合物
溶胶转化成凝胶
不良溶剂能使聚合物溶胀而不溶解
或只能和良性溶剂一起才能使聚合 物溶解
凝胶继续蒸发溶剂
致孔剂是不能使聚合物溶解或溶胀， 含量稍多时使聚合物析出的溶剂。
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收缩定形成膜 9
第九章 膜分离
浸没凝胶法 铸膜液浸入水中或其他凝固液中，使溶剂
1
第九章 膜分离
20 世 纪 60 年 代 ， 海 水 淡 化 的 需 要 ， Loeb 和 Sourirajan利用相转化制膜法(L-S制膜法)制备了世 界上第一张实用的反渗透膜。
20世纪60年代开始，发展出液膜分离技术。支撑 性液膜，不带固膜支撑的新型液膜，带流动载体 的液膜。
20世纪80年代开始，出现了气态膜，由充满在疏 水性多孔聚合物膜空隙中的气体构成，透过速度 快。
第九章 膜分离
膜技术发展历史
1748年，Nollet发现水自发扩散透过猪膀胱壁进 入酒精中。
1864年，Traube研制了人类历史上第一张人工膜亚铁氰化铜膜
20世纪30年代德国建立了世界上首座生产微滤膜 的工厂用于过滤微生物等微小粒子。
20世纪50年代，原子能工业的发展促使离子交换 膜应运而生，并在此基础上发展了电渗析工业。
R
1
Cp Cb
100%
JV St
Jt J1 tm
lg Jt lg J1 m lg t
15
第九章 膜分离
(4)截留性能：
截留率：对一定分子量的物质膜所能截留
的程度
截留分子量：截留率大于90%对应的分子
量，从分子量-截留率曲线中获得。
截留率越高、 截留范围越窄的膜越好。
相分离后的凝胶进入萃取液中除去增塑剂， 基本上得到对称结构的膜。
11
第九章 膜分离
核径迹刻蚀法 均质聚合物膜置于核反应器的带电粒子束
照射下，带电粒子通过膜时，打断了膜内聚 合物链节，留下感光径迹，通过刻蚀浴，内 溶液优先刻蚀掉感光的核径迹，形成孔。
照射时间长短决定膜孔数目，刻蚀时间长 短决定孔径大小。分布均匀，圆柱形毛细管。
膜可以是全透的，或者半透的，但不能 是完全不透的，否则就是隔片。
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第九章 膜分离
膜的制备方法： 烧结法 拉伸法 相转化法 核径迹刻蚀法 溶胶-凝胶法
5
第九章 膜分离
烧结法： 一定大小的颗粒粉末压缩后在高温下烧结，
过程中，粒子表面逐渐变软至熔，颗粒间界 面逐渐消失，最后相互黏结成多孔体。
截留范围与膜孔径、膜材料及材料表面的物理化学性质
有关。
测定截留分子量三类标准物质：球形蛋白、带支链的多
糖（葡聚糖）、线性分子聚乙二醇等。
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第九章 膜分离
影响截留分子量的因素：
1. 溶质的形状和大小 2. 溶质与膜材料之间的相互作用 3. 浓差极化 4. 批间偏差 5. 膜孔的结构和测试条件（压力、温度、错流速度、
次拉伸，在机械应力下结晶区域会发生小的
断裂，从而得到多孔结构，该法制得的膜孔
径为0.1-3m，孔隙率远高于烧结法，可达到
90%。
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第九章 膜分离
相转化法 分为控制溶剂蒸发凝胶法、浸没凝胶法和
热致相分离法。
8
第九章 膜分离
溶 剂 蒸 发 铸膜液 凝 胶 法 制 良性溶剂 膜的过程 不良溶剂
致孔剂
2
第九章 膜分离
膜分离过程特点： 能耗低、化学品消耗少 操作方便、不产生二次污染 避免组分受热变质或混入杂质 分离效率高 膜强度较差，使用寿命有限，易被污染影
响分离效率
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第九章 膜分离
膜的概念： 一个流体相或者两个流体相分隔开成为两
部分的一薄层凝聚态物质。 流体相： 液、气 膜： 固、液、气