高分子功能膜

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2020/1/26
渗透和反渗透的原理如图所示。如果用一 张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同 浓度的水溶液隔开,水会自然地透过半透膜渗透从 低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移,这一现象 称渗透(图a)。这一过程的推动力是低浓度溶 液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差, 表现为水的渗透压。随着水的渗透,高浓度水溶液 一侧的液面升高,压力增大。当液面升高至H时, 渗透达到平衡,两侧的压力差就称为渗透压(图b)。
微孔膜的主要优点为: ① 孔径均匀,过滤精度高。能将液体中所有大 于制定孔径的微粒全部截留; ② 孔隙大,流速快。一般微孔膜的孔密度为 107孔/cm2,微孔体积占膜总体积的70%~80%。由 于膜很薄,阻力小,其过滤速度较常规过滤介质快 几十倍;
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③ 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90~ 150μm之间,因而吸附量很少,可忽略不计。
澄清果蔬汁加工工艺
超滤
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3. 反渗透原理及反渗透膜的特点 渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前
就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物 质。目前,反渗透技术已经发展成为一种普遍使用 的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超 纯水制备、废水处理等方面,反渗透技术有其他方 法不可比拟的优势。
微孔过滤技术始于十九世纪中叶,是以静压差为 推动力,利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分 离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。
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微孔膜是均匀的多孔薄膜,厚度在90~150μm 左右,过滤粒径在0.025~10μm之间,操作压在 0.01~0.2MPa。到目前为止,国内外商品化的微孔 膜约有13类,总计400多种。
目前,国内外的制膜方法很多,其中最实用的 是相转化法(流涎法和纺丝法)和复合膜化法。
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三、膜分离过程
浓度梯度驱动 分离膜过程
气体、液体膜分离 透析
依所 用驱 动力 分为
电场力驱动膜 分离过程
压力驱动膜分 离过程
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电渗析
微滤 超滤 纳滤 反渗透
典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)、超滤(UF)、 反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、电渗析(ED)、液膜 (LM)及渗透蒸发( PV)等。 1. 微孔过滤和微孔膜的特点
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超滤膜均为不对称膜,形式有平板式、卷式、管 式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构 组成。即最上层的表面活性层,致密而光滑,厚度 为0.1~1.5μm,其中细孔孔径一般小于10nm;中 间的过渡层,具有大于10nm的细孔,厚度一般为 1~10μm;最下面的支撑层,厚度为50~250μm, 具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用, 提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面 活性层和过度层。
渗透过程达到平衡后,水不再有渗透,渗透 通量为零。
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渗透与反渗透原理示意图
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如果在高浓度水溶液一侧加压,使高浓度水溶液 侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压,则高浓度 水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧, 这一过程就称为反渗透(图c)。
反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500, 操作压力为 2~100MPa。
用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜 大部分为不对称膜,孔径小于0.5nm,可截留溶质 分子。
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制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚 酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚 芳醚酮、聚四氟乙烯等。
反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论,主要有氢 键理论、选择吸附-毛细管流动理论、溶解扩散理论等。 反渗透膜技术应用领域 反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发 展,反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反 渗透过程主要是从水溶液中分离出水,分离过程无相变 化,不消耗化学药品,这些基本特征决定了它以下的应 用范围。
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(1)纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、 病毒和其他异物的除去,用于制备高纯饮用水、电 子工业超净水和医用无菌水等。 (2)汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽 车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有1%~2 %的涂料(高分子物质),用超滤装置可分离出清 水重复用于清洗,同时又使涂料得到浓缩重新用于 电泳涂装。 (3)食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超 滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。
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2.超滤和超滤膜的特点 超滤技术始于 1861 年,其过滤粒径介于微滤和
反渗透之间,约5~10 nm,在 0.1~0.5 MPa 的静压 差推动下截留各种可溶性大分子,如多糖、蛋白质 、酶等相对分子质量大于500的大分子及胶体,形成 浓缩液,达到溶液的净化、分留的原理 为筛分,小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微 孔,而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸 和形状决定膜的分离效率。
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海水的淡化
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工 业 应 用 的 反 渗 透 装 置
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4.纳滤膜 纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开
发出来的,是超低压反渗透技术的延续和发展分 支,早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜。
目前,纳滤膜已从反渗透技术中分离出来,成 为独立的分离技术。
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纳滤膜主要用于截留粒径在0.1~1nm,分子量 为1000左右的物质,可以使一价盐和小分子物质透 过,具有较小的操作压(0.5~1MPa)。其被分离 物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间,但与上述 两种膜有所交叉。
目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面,而有 关纳滤膜的制备、性能表征、传质机理等的研究还 不够系统、全面。进一步改进纳滤膜的制作工艺, 研究膜材料改性,将可极大提高纳滤膜的分离效果 与清洗周期。
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超滤膜技术应用领域 超滤膜的应用也十分广泛,在作为反渗透预处 理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和 阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业 废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。 超滤技术主要用于含分子量500~500,000的微粒 溶液的分离,是目前应用最广的膜分离过程之一, 它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主 要可归纳为以下方面。
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%,可见纤维素酯类材料在膜材料中 占主要地位。
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二、高分子功能膜的制备方法
相转换法
粉末烧结
多孔膜制备 拉伸致孔法
热致相分离法
核径迹法
铝阳极氧化多孔氧化铝膜
制备方法
溶剂涂层挥发法
致密膜的制备
水面扩展挥发法
支撑膜加涂层
复合膜的制备 支撑膜加水面扩展连续超薄膜
界面缩聚法在位制备复合膜
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膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样 的材料,由于不同的制作工艺和控制条件,其能 差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优性 能分离膜的重要保证。
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高分子功能膜分类
混合物分离分离膜
使用功能划分
药物释放缓释膜
分割作用保护膜
气体分离膜

液体分离膜

根据被分离物质性质
固体分离膜

离子分离膜

微生物分离膜

被分离物质粒度大小 超细滤膜、超滤膜、微滤膜

沉积膜
膜形成过程
溶剂注膜
界面膜
动态形成膜
密度膜
根据膜性质
相变形成膜
乳化膜
多孔膜
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表面荷电的多孔膜可以在表面吸附一层以上的对离子,因而荷点 膜的有效孔径比一般多孔膜更小。相同孔径的膜,荷电量的膜水通 量比一般多孔膜大得多。
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高分子分离膜制备材料
原则上讲,凡能成膜的高分子材料均可用于制 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。
高分子功能膜材料
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主要内容
一 高分子功能膜材料概述 二 高分子功能膜的制备方法 三 高分子分离膜的分离机理与应用
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一、高分子功能膜定义
高分子功能膜是一种具有选择性透过能力 的膜型材料,也是具有特殊传质功能的高分子 材料,通常称为分离膜,也称功能膜。用膜分 离物质一般不发生相变、不耗费相变能,同时 具有较好的选择性,且膜把产物分在两侧,很 容易收集,是一种能耗低,效率高的分离材料, 从功能上来说,高分子分离膜具有物质分离、 识别物质,能量转化和物质转化等功能。利用 其在不同条件下显出的特殊性质,已经在许多 领域获得应用。
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中空纤维状超滤膜的外径为0.5~2μm。特点是 直径小,强度高,不需要支撑结构,管内外能承受 较大的压力差。此外,单位体积中空纤维状超滤膜 的内表面积很大,能有效提高渗透通量。
制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯 腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的 材质,如醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 3~8,三醋 酸纤维素超滤膜适用于pH = 2~9,芳香聚酰胺超滤 膜适用于pH = 5~9,温度0~40℃,而聚醚砜超滤 膜的使用温度则可超过100℃。
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(1)海水、苦咸水的淡化制取生活用水,硬水软化 制备锅炉用水,高纯水的制备。近年来,反渗透技 术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现 了其优越性。 (2)在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸
液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较, 反渗透法脱水浓缩成本较低,而且产品的疗效、风味 和营养等均不受影响。 (3)印染、食品、造纸等工业中用于处理污水,回收利 用废业中有用的物质等。
膜分离机理
筛分和溶解-扩散
多孔膜的分离机理主要是筛分原理,依膜表面平均孔径的大小而 区分为微滤(0.1-10㎛)、超滤(2-100㎚)、纳滤(0.5-5 ㎚ ),以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶质分子。
多孔膜表面的孔径有一定的分布,其分布宽度与制膜技术有关而 成为分离膜质量的一个重要标志。一般来说,分离膜的平均孔径要 大于被截留的溶质分子的分子尺寸。这是由于亲水性的多孔膜表面 吸附有活动性、相对较小的水分子层而使有效孔径相应变小,这种 效应孔径愈小愈显著。
④ 无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料, 过滤时没有纤维或碎屑脱落,因此能得到高纯度的 滤液。
微孔膜的缺点: ① 颗粒容量较小,易被堵塞; ② 使用时必须有前道过滤的配合,否则无法正 常工作。
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微孔过滤技术应用领域 微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用:
(1)微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、 食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气 净化和除菌等。 (2)微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细 菌的富集器,从而进行微粒和细菌含量的测定。
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(3)气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、 纤维、花粉、细菌、病毒等;溶液和水中存在
的微小固体颗粒和微生物,都可借助微孔膜去除。 (4)食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、 黄酒等酒类进行过滤,可除去食糖中的杂质、酒类 中的酵母、霉菌和其他微生物,提高食糖的纯度和 酒类产品的清澈度,延长存放期。由于是常温操 作,不会使酒类产品变味。 (5)药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采 用热压法。但是热压法灭菌时,细菌的尸体仍留在 药品中。而且对于热敏性药物,如胰岛素、血清蛋 白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况,微孔膜 有突出的优点,经过微孔膜过滤后,细菌被截留, 无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药 物的受热破坏和变性。
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(4)果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术 可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质,使果汁 和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味,操 作方便,成本较低。 (5)在医药和生化工业中用于处理热敏性物质,分 离浓缩生物活性物质,从生物中提取药物等。 (6)造纸厂的废水处理。
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