高分子分离膜的研究及应用

高分子分离膜的简述及应用

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（大学学院，河南郑州450001）

摘要：介绍了膜的概念及分类，高分子分离膜的分离原理、机理和材料、膜分离技术在工业中的应用，并对膜分离过程的未来发展进行了展望。

The paper introduces the concept and classification of membrane, separation principle, mechanism and the material of the polymeric membrane for separation, the application of membrane separation technology in the industry, and prospects the future development of membrane separation process.

关键词：高分子分离膜分离应用

0 前言

膜广泛存在于我们的日常生活中，有很多功能，比如精制、浓缩、分隔和选择性透过等。上世纪80年代以来，膜分离技术越来越受到人们的关注。新的膜材料、新的膜分离方法也在不断开发研究中。

1 膜的概念及分类

高分子分离膜是用人工或天然合成的高分子分离膜，可借助于化学位差的推动对双组份或多组份的溶质和溶剂进行分离、提纯，由于使传统的分离工序发生革命性的变化，所以高分子分离膜，广泛地应用于化学工程、生物技术、医学、食品工业、环境保护、石油探测等众多领域内，在当代高新技术领域内，高分子分离膜将作为开发的重点，而分离膜将作为高效能材料将进一步获得发展。[1]

常见的分离膜有以下几种：微滤膜、超滤膜、超细滤膜、密度膜、电透析膜、液体膜、溶胀密度膜、拉伸半晶体多孔膜、烧结多孔膜，以及特殊的界面型LB 膜和自我成型膜(SA)等。

（1）根据筛分原理可分为：微滤膜、超滤膜、超细滤膜、密度膜、电透析膜、液体膜等。（2）根据分离过程中不同的用途可分为：渗析膜、电渗析膜、气体分离膜、液体分离膜、动力形成膜、镶嵌带电膜、仿生膜、生物医学用膜等。

（3）根据材料结构可分为：均质膜、非均质膜、致密膜、多孔质膜、不对称膜、含浸型膜等。

（4）根据膜的外观形态可分为：平板膜、褶状膜、螺旋膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜等。

2 高分子分离膜的分离原理、机理和材料

2.1分离原理[2] [3]

在膜分离过程中，由于膜的具有选择透过性，当膜两侧存在某中推动力时，原料侧组分将选择性地透过膜，从而可以达到分离提纯的目的。它的传递过程极为复杂。通过多孔型的膜有孔模型、微孔扩散模型、优先吸附-毛细管流动模型；通过非多孔膜的主要是溶解-扩散模型等。因而不同的膜过程使用的膜不同，推动力不同，其传递机理也不同。

2.2机理

表1列出了已发展起来的主要膜分离过程的推动力和分离机理。

表1 膜分离过程的特性[4]

过程主要功能推动力机理

微滤(MF) Microfiltration 滤除≥ 50nm 的颗粒压力差

( 0. 1～0. 5) M Pa

筛分

超滤(UF) Ultrafiltration 滤除( 5～100 ) nm

的颗粒

压力差

( 0. 1～1) M Pa

筛分

反渗透(RO) Reverse Osmosis 水溶液中溶解盐类

的脱除

压力差

( 1～10) M Pa

溶解扩散

渗析( D) Dialysis 水溶液中无机酸、盐

的脱除

浓度差溶解扩散

电渗析(ED) Electrodialysis 水溶液中酸、碱、盐

的脱除

电位差离子荷电

气体分离( GP) Gas Permeation 混合气体的分离分压差

( 0. 1～15) MPa

溶解扩散

渗透汽化( PV )

Pervaporation

水-有机物的分离分压差

( 0. 1～100) M Pa

溶解扩散

液膜( L)

Liquid Membrane 盐、生理活性物质的

分离

化学位差载体输送

2.3分离材料

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。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，比如：（1）膜应具有较大的透过速度和较高的选择性；（2）机械强度好，耐压；（3）耐热、耐酸、耐碱、耐微生物；（4）可以高温灭菌；（5）价格低廉。

虽然不同的应用场合对分离膜的材料有不同的要求，但是材料成膜以后的必要强度，韧性和抗折性是共同的。[14]

研究和已经应用的聚合物分离膜材料大致可归纳为以下10类：（1）纤维素衍生物类；（2）聚砜类；（3）聚酰胺类；（4）聚酰亚胺类；（5）聚酯类；（6）聚烯烃类；（7）乙烯类聚合物；（8）含硅聚合物；（9）含氟聚合物；（10）甲壳素类。[4]

2.4制膜技术

从所周知，Loeb和Sourirajan[5] [6]用同样的醋酸纤维素( CA )作膜材料、采用相转化工艺制造出具有非对称结构的反渗透膜，比原来的均质膜透水量提高近一个数量级而仍保持高脱盐率。

目前市面上有很多高性能的分离膜，然而并没有广泛、便宜地普及。这是因为只有掌握其制备技术的公司才能生产它们。所以自从高分子分离膜问世以来，膜分离的使用和分离膜的制备技术一直是研究的焦点、开发的热点，并且长盛不衰。膜的材料和制造技术共同决定了分离膜的性能。

应用得最多最广泛的是有机高分子非对称分离膜。它分为分非对称膜和复合膜。

非对称膜主要用L-S沉浸凝胶相转化法制造。合膜常用的制备方法有界面缩聚和就地聚合等。非对称膜的致密皮层和多孔支撑层通常是同一种膜材料一次形成的。而复合膜是先制成多孔支撑层，再在其表面覆盖一层起分离作用的超薄致密皮层。影响膜性能的工艺参数有很多，以溶剂、铸膜液浓度及其组成、凝胶液温度及组成为主。[4]

3 膜分离技术在工业中的应用

3.1 水处理[4-7]

膜技术已广为普及应用于国外的工业和日用中的废水处理当中。有些过程已成为像流体输送、蒸馏、萃取一样的、标准的单元操作。纯水、超纯水的制备采用反渗透法、超滤法等能较好的克服缺点，流程简单、成本低廉并且处理过的水水质优良。工业废水的处理中，是反渗透法和液膜法的应用最为广泛。

3.2 在石油化工中的应用[11] [12]

作为一种高新技术，膜分离技术使得石油化工中的污染问题、资源利用问题、产品质量问题等方面都有了较大的进步。例如，在合成氨的生产过程中，每天都有大量氢气没有被利用而是被混在施放气中烧掉。据报道，现在的合成氨厂由于采用了一种叫Prism的氢反应器这种膜分离装置，日产1 000t每天可增产50t氨。

3.3 食品、医疗及生物上的应用[13]

目前，分离膜技术在食品工业、生物制品工业以及医疗中的应用开发正在蓬勃发展。随着许多政府对膜研究支持力度的不断加大，一大批膜科技专家致力于高分子分离膜的应用研究。膜的分离技术广泛应用于食品的脱酸、脱矿、保存保鲜等方面；在医学上主要是用于人造器官、骨的再生、医用纯水及注射用水制备等。应用高分子分离膜也是当今制药工业技术创新的一大潮流。比如用膜开发制药新工艺、在生产线装备新型膜分离装置等。

3.4其他

（1）工业金属、盐的分离和回收反渗透法对重金属的分离具有良好的效果。

（2）气体的分离和富集现在入们对气体分离膜的研究也很多。选择性气体分离所用的膜大体可分为多孔质和非多孔质。由于膜对不同气体的渗透速度不同,可以用其实现对某种气体的分离和富集。研究气体分离膜是研究其材料、透气性、选择性、结构表征、制膜方法等。材料常选用聚酰亚胺、陶瓷膜、玻璃膜、中空纤维式膜等；常用的表征方法有很多，比如扫描电镜、X射线衍射、核磁共振等。随着研究的推进新表征方法比如动态光散射的方法也常被采用。

（3）电化学方面的应用同体聚电解质膜主要用于酸液的电解、现代电池、固体电解质燃料系统和其它电化学方面。