膜科学与技术概述学生
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J=-AdX/dx X – ∆C/浓度, ∆P/压力,∆T/温度, ∆E/电位
主要参数Main parameters in token of separation capability of membranes
① Selectivity (选择性) Rejection or retention (截留率) and Separation factor
1960年Loeb 和Sourirajan 研制出第一张不对称的醋酸 纤维素反渗透膜，致使膜分 离技术进入了实用和装置的 研制阶段。
美国阿波罗载人登月工程
1968年，美国阿波罗登月的各项技术准备都
紧锣密鼓地开展着，最让人头痛的难关竟是
最普通的水。以当时核算整个登月计划中包
括设备、宇航员的用水竟多达6吨，如果这些
水能重复使用则只需一点点。
如何回收提纯工业废水、洗漱用水和尿液成
为最大的攻关课题。
反渗透膜这一技术很快被引用到宇航领域。 采用反渗透技术将使用过的污水，包括尿液 等排泻物，净化处理，成为达到饮用标准的 再生水，循环使用逆渗透膜,使太空船不用运 载大量的饮用水升空。十几亿美元的投入终
１９６８年１０ 月１１日阿波罗 ７号终于载着３ 名宇航员绕地球 飞行了１６３圈。
海鸥为何能喝海水？
如果给海鸟喂很咸的食物，它的鼻 孔就总是要淌水，就像人患了重感 冒一样，这也是海鸟在迅速地排出 体内过多的盐分。
我们生活在沿海的人，往往都可以 看到海鸟会不时地从喙上部的鼻孔 中排出一个个亮晶晶的水滴，紧接 着摆摆头抖掉。这种水滴就是盐腺 排出的含有大量盐分的黏液。
排盐腺就像是海水淡化器一样，能 排除体内过剩的盐类。而海鸟的海 水淡化“装置”位于眼窝上部，排出 液体的部位却位于鼻孔内，过去称 为鼻腺，现在改称盐腺。
• 没有从事膜科学技术研究的大学，不是好的大学 “谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来” －－黎念之博士
• 21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色
二、膜与膜分离基本概念
1、膜-MEMBRANE: a selective barrier
To restrict the movement of one or more of the components of one or both fluids across the barrier
the size of separation equipment. If the flux is considered to be a volume flux, the
following units are used: Lm-2 hr-1, Lm-2 day-1, galft-2day1 and cm3 cm-2 hr-1.
蛋白质、致热源、病毒、细菌以及血细胞等 都是不可透出的；尿的成分中大部分是水， 要想用人工肾替代肾脏就必须从血液中排出 大量的水分，人工肾只能利用渗透压和超滤 压来达到清除过多的水分之目的。
现在所使用的人工肾即血液透析装置都具备 上述这些功能，从而对血液的质和量进行调 节，使之近于生理状态。
血液透析原理
膜是指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学 物质的阻挡层（选择性分离）
“sorting demon”(Maxwell demon)
分类精灵设想把无序变为有序
C HC C H CH
HC
CH H
CC C
C
CC
HH HH
HH
(a) A random situation
(b) An order one
类 合成膜
高分子 - 醋酸纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯
腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚砜、聚醚
砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等
结 多孔膜：微孔介质、大孔介质
构 类
非多孔膜: 无机膜、聚合物膜
型 液膜：无固定相支பைடு நூலகம்（乳化液膜）、有固定相支撑（固定膜）
4、膜结构-MEMBRANE STRUCTURE
对称膜结构
xA/xB
yA/yB
yA and yB are the concentrations of components A and B in the permeate 透过相中组分A和B浓度
xA and xB are the concentrations of the components in the feed. 原料相中组分 A和B浓度
截留率The retention is given by
Cf
Solute
Cp
Water
Water
cf - the solute concentration in
the feed 料液溶质浓度
cp - the solute concentration in
the permeate. 透过液溶质浓度
Selectivity-separation factor α分离因子
渗透与反渗透原理
外加压力
渗透压
纯水
盐溶液
纯水
盐溶液
纯水
盐溶液
半透膜
半透膜
半透膜
渗透压是指溶质微粒对水的吸引力，所以渗透压与微粒的数目多少有 关。1886年范特霍夫（J.H.van’t Hoff）根据实验数据得出一条规 律：对稀溶液来说，渗透压与溶液的浓度和温度成正比，它的比例常 数就是气体状态方程式中的常数R。
海水淡化 工业市政水处理 饮用水处理 天然气 生物质利用 燃料电池
水资源
膜
传统工业
能源 生态环境
冶 金 制 药 食 品 化工与石化 电 子 CO2控制 除尘 洁净燃烧
膜和膜的应用
膜技术应用领域
航天
石油化工
半导体
电力
食品
造纸
钢铁
汽车
家庭
医疗
生物医药
水资源
名人名言
• If you are tired of membranes, you are tired of life. －－Prof. Richard Bowen
研究生课程：《膜科学与技术》
《膜科学与技术》
第一章 绪 论
第一章教学内容
膜及膜科技基本概念 膜科学技术发展历史、现状以及未来发展趋势 十二五膜专项 膜科技领域著名膜会议及学术刊物
一、背景知识
企鹅能喝海水？
• 企鵝的鼻子與眾不同，它的鼻子裡有許多的“鼻腺”-盐腺可 以隨時排出鼻涕。這樣身體裡多餘的鹽就隨著鼻涕被排出 體外。
白蛋白因分子较大，不能通过膜孔。这种小分子物质能通过而大分子物 质不能通过半透膜的物质移动现象称为弥散。临床上用弥散现象来分离 纯化血液使之达到净化目的的方法即为血液透析的基本原理。
血液透析是治疗急、慢性肾功能衰竭的最有效措施之一，但血液透析只 替代了肾脏的部分排泄功能，不能替代肾脏的内分泌功能和新陈代谢功 能，是不完全的肾脏替代方法。
Selectivity-retention 截留率
The selectivity of a membrane towards a mixture is generally
expressed by one of two parameters; the retention (R) or the
separation factor (α).
Membrane selectivity towards gas mixtures and mixtures of organic liquids is usually expressed in terms of the separation factorα
For a mixture consisting of components A and B the selectivity factor αA/B
2、膜分离-MEMBRANE SEPARATION
膜分离是借助膜的选择渗透作用，对混合物中的溶质和溶剂 进行分离、分级、提纯和富集的方法。
膜分离过程的特点
膜分离过程与传统的化工分离方法，如过滤、蒸发、蒸馏、 萃取、深冷分离等过程相比较，具有如下特点：
1. 能耗低-大多数过程无相变
2. 适合热敏性物质分离- 抗生素、蛋白质、酶、果汁等
透析器的膜内是血液通路，膜外是透析液的通 路，在透析时血液与透析液在膜两侧呈反方向 流动，通过膜两侧的溶质梯度、渗透压梯度和 静水压梯度，使血液中能通过半透膜微孔的物 质(如钾离子、尿素、肌酐和水分)由血液侧向 透析液侧移动，而人体内需要补充的物质(如钙 离子、碱性物质如碳酸氢根等)由透析液侧向血 液侧移动，这样使病人的电解质紊乱、酸碱平 衡得以纠正，体内的代谢废物和过多的水分被 排除。
稀溶液的渗透压π=cRT c为物质的量的浓度，R为气体常数，T为热力学温度
Loeb 和Sourirajan研制第一张反渗透膜
1953年由University of Florida应用于海水淡化去除 盐份设备
美国联邦投入四亿美元经费 资助美国U.C.L.A大学医学 院教授Dr.S.Sidney Loeb配 合DR.S.Soirirajan博士着手 研究反渗透膜
Innovations
1980 cylindrical Monochannel with circular 6 mm
1985 hexagonal Multichannel with Circular 4 mm
1993 cylindrical Multichannel with Circular 3,5 mm
2000 cylindrical Multichannel TAMI 2.5 mm
陶瓷膜截面结构
Filtration area (S)/volume (V)
(M²/m3)
Nb of membrane needed for 1m²
Shape
244
44
408
3.5
426
4
843
2
陶瓷膜结构 Ceramic Membrane structure
(分离因子) Velocity ratio of different substance penetrate the
membranes. Separation difficulty of the system.
② Flux (通量) : Penetrative quantity unit area and unit time ,deciding
结硕果，这就是反渗透技术制水，简称RO水，
是当时美国宇航局的绝密专利。
中空纤维膜技术应用：人工肾
Pim Willem Kolff
血液透析所使用的半透膜直径180-200微 米、厚度为10-20微米，膜上的孔径平均为 3纳米，所以只允许分子量为1.5万以下的小 分子和部分中分子物质通过，而分子量大于 3.5万的大分子物质不能通过。
美国科学家DR.S.Sourirajan与海鸥
1950年美国科学家DR.S.Sourirajan 有一回无意发现海鸥在海上飞行时 从海面啜起一大口海水，隔了几秒 后，吐出一小口的海水，而产生疑 问，因为陆地上由肺呼吸的动物是 绝对无法饮用高盐份的海水的。
经过解剖发现海鸥体内有一层薄膜， 该薄膜非常精密，海水经由海鸥吸 入体内后加压，再经由压力作用将 水分子贯穿渗透过薄膜转化为淡水， 而含有杂质及高浓缩盐份的海水则 吐出嘴外，此即往后反渗透法的基 本理论架构
3. 分离装置简单、操作方便
4. 分离系数大、应用范围广（汽油脱硫/溶剂回收/（醇水）共 沸点物）
5. 工艺适应性强、
6. 便于回收
750 m icrons
7. 没有二次污染
3、膜材料分类 MEMBRANE
MATERIALS
生物膜（生命膜）
材
天然膜 天然物质改性或再生
料
种
无机 - 陶瓷、金属、玻璃、分子筛碳膜
膜（MEMBRANE）
The membrane is at the heart of every membrane process and can be considered as a permselective barrier or interface between two phases.
Schematic representation of a two-phase system separated by a membrane.
平板式
微滤
复合膜结构-反渗透
Crosslinked Aromatic Polyamide 0.2 μ m
Nylon membrane
Support Membrane
Polysulfone 45μm
不对称膜结构－超滤 聚砜（PSf）
Substrate Polyester 150μm
中空纤维结构
聚酯支撑层（Polyester）
主要参数Main parameters in token of separation capability of membranes
① Selectivity (选择性) Rejection or retention (截留率) and Separation factor
1960年Loeb 和Sourirajan 研制出第一张不对称的醋酸 纤维素反渗透膜，致使膜分 离技术进入了实用和装置的 研制阶段。
美国阿波罗载人登月工程
1968年，美国阿波罗登月的各项技术准备都
紧锣密鼓地开展着，最让人头痛的难关竟是
最普通的水。以当时核算整个登月计划中包
括设备、宇航员的用水竟多达6吨，如果这些
水能重复使用则只需一点点。
如何回收提纯工业废水、洗漱用水和尿液成
为最大的攻关课题。
反渗透膜这一技术很快被引用到宇航领域。 采用反渗透技术将使用过的污水，包括尿液 等排泻物，净化处理，成为达到饮用标准的 再生水，循环使用逆渗透膜,使太空船不用运 载大量的饮用水升空。十几亿美元的投入终
１９６８年１０ 月１１日阿波罗 ７号终于载着３ 名宇航员绕地球 飞行了１６３圈。
海鸥为何能喝海水？
如果给海鸟喂很咸的食物，它的鼻 孔就总是要淌水，就像人患了重感 冒一样，这也是海鸟在迅速地排出 体内过多的盐分。
我们生活在沿海的人，往往都可以 看到海鸟会不时地从喙上部的鼻孔 中排出一个个亮晶晶的水滴，紧接 着摆摆头抖掉。这种水滴就是盐腺 排出的含有大量盐分的黏液。
排盐腺就像是海水淡化器一样，能 排除体内过剩的盐类。而海鸟的海 水淡化“装置”位于眼窝上部，排出 液体的部位却位于鼻孔内，过去称 为鼻腺，现在改称盐腺。
• 没有从事膜科学技术研究的大学，不是好的大学 “谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来” －－黎念之博士
• 21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色
二、膜与膜分离基本概念
1、膜-MEMBRANE: a selective barrier
To restrict the movement of one or more of the components of one or both fluids across the barrier
the size of separation equipment. If the flux is considered to be a volume flux, the
following units are used: Lm-2 hr-1, Lm-2 day-1, galft-2day1 and cm3 cm-2 hr-1.
蛋白质、致热源、病毒、细菌以及血细胞等 都是不可透出的；尿的成分中大部分是水， 要想用人工肾替代肾脏就必须从血液中排出 大量的水分，人工肾只能利用渗透压和超滤 压来达到清除过多的水分之目的。
现在所使用的人工肾即血液透析装置都具备 上述这些功能，从而对血液的质和量进行调 节，使之近于生理状态。
血液透析原理
膜是指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学 物质的阻挡层（选择性分离）
“sorting demon”(Maxwell demon)
分类精灵设想把无序变为有序
C HC C H CH
HC
CH H
CC C
C
CC
HH HH
HH
(a) A random situation
(b) An order one
类 合成膜
高分子 - 醋酸纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯
腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚砜、聚醚
砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等
结 多孔膜：微孔介质、大孔介质
构 类
非多孔膜: 无机膜、聚合物膜
型 液膜：无固定相支பைடு நூலகம்（乳化液膜）、有固定相支撑（固定膜）
4、膜结构-MEMBRANE STRUCTURE
对称膜结构
xA/xB
yA/yB
yA and yB are the concentrations of components A and B in the permeate 透过相中组分A和B浓度
xA and xB are the concentrations of the components in the feed. 原料相中组分 A和B浓度
截留率The retention is given by
Cf
Solute
Cp
Water
Water
cf - the solute concentration in
the feed 料液溶质浓度
cp - the solute concentration in
the permeate. 透过液溶质浓度
Selectivity-separation factor α分离因子
渗透与反渗透原理
外加压力
渗透压
纯水
盐溶液
纯水
盐溶液
纯水
盐溶液
半透膜
半透膜
半透膜
渗透压是指溶质微粒对水的吸引力，所以渗透压与微粒的数目多少有 关。1886年范特霍夫（J.H.van’t Hoff）根据实验数据得出一条规 律：对稀溶液来说，渗透压与溶液的浓度和温度成正比，它的比例常 数就是气体状态方程式中的常数R。
海水淡化 工业市政水处理 饮用水处理 天然气 生物质利用 燃料电池
水资源
膜
传统工业
能源 生态环境
冶 金 制 药 食 品 化工与石化 电 子 CO2控制 除尘 洁净燃烧
膜和膜的应用
膜技术应用领域
航天
石油化工
半导体
电力
食品
造纸
钢铁
汽车
家庭
医疗
生物医药
水资源
名人名言
• If you are tired of membranes, you are tired of life. －－Prof. Richard Bowen
研究生课程：《膜科学与技术》
《膜科学与技术》
第一章 绪 论
第一章教学内容
膜及膜科技基本概念 膜科学技术发展历史、现状以及未来发展趋势 十二五膜专项 膜科技领域著名膜会议及学术刊物
一、背景知识
企鹅能喝海水？
• 企鵝的鼻子與眾不同，它的鼻子裡有許多的“鼻腺”-盐腺可 以隨時排出鼻涕。這樣身體裡多餘的鹽就隨著鼻涕被排出 體外。
白蛋白因分子较大，不能通过膜孔。这种小分子物质能通过而大分子物 质不能通过半透膜的物质移动现象称为弥散。临床上用弥散现象来分离 纯化血液使之达到净化目的的方法即为血液透析的基本原理。
血液透析是治疗急、慢性肾功能衰竭的最有效措施之一，但血液透析只 替代了肾脏的部分排泄功能，不能替代肾脏的内分泌功能和新陈代谢功 能，是不完全的肾脏替代方法。
Selectivity-retention 截留率
The selectivity of a membrane towards a mixture is generally
expressed by one of two parameters; the retention (R) or the
separation factor (α).
Membrane selectivity towards gas mixtures and mixtures of organic liquids is usually expressed in terms of the separation factorα
For a mixture consisting of components A and B the selectivity factor αA/B
2、膜分离-MEMBRANE SEPARATION
膜分离是借助膜的选择渗透作用，对混合物中的溶质和溶剂 进行分离、分级、提纯和富集的方法。
膜分离过程的特点
膜分离过程与传统的化工分离方法，如过滤、蒸发、蒸馏、 萃取、深冷分离等过程相比较，具有如下特点：
1. 能耗低-大多数过程无相变
2. 适合热敏性物质分离- 抗生素、蛋白质、酶、果汁等
透析器的膜内是血液通路，膜外是透析液的通 路，在透析时血液与透析液在膜两侧呈反方向 流动，通过膜两侧的溶质梯度、渗透压梯度和 静水压梯度，使血液中能通过半透膜微孔的物 质(如钾离子、尿素、肌酐和水分)由血液侧向 透析液侧移动，而人体内需要补充的物质(如钙 离子、碱性物质如碳酸氢根等)由透析液侧向血 液侧移动，这样使病人的电解质紊乱、酸碱平 衡得以纠正，体内的代谢废物和过多的水分被 排除。
稀溶液的渗透压π=cRT c为物质的量的浓度，R为气体常数，T为热力学温度
Loeb 和Sourirajan研制第一张反渗透膜
1953年由University of Florida应用于海水淡化去除 盐份设备
美国联邦投入四亿美元经费 资助美国U.C.L.A大学医学 院教授Dr.S.Sidney Loeb配 合DR.S.Soirirajan博士着手 研究反渗透膜
Innovations
1980 cylindrical Monochannel with circular 6 mm
1985 hexagonal Multichannel with Circular 4 mm
1993 cylindrical Multichannel with Circular 3,5 mm
2000 cylindrical Multichannel TAMI 2.5 mm
陶瓷膜截面结构
Filtration area (S)/volume (V)
(M²/m3)
Nb of membrane needed for 1m²
Shape
244
44
408
3.5
426
4
843
2
陶瓷膜结构 Ceramic Membrane structure
(分离因子) Velocity ratio of different substance penetrate the
membranes. Separation difficulty of the system.
② Flux (通量) : Penetrative quantity unit area and unit time ,deciding
结硕果，这就是反渗透技术制水，简称RO水，
是当时美国宇航局的绝密专利。
中空纤维膜技术应用：人工肾
Pim Willem Kolff
血液透析所使用的半透膜直径180-200微 米、厚度为10-20微米，膜上的孔径平均为 3纳米，所以只允许分子量为1.5万以下的小 分子和部分中分子物质通过，而分子量大于 3.5万的大分子物质不能通过。
美国科学家DR.S.Sourirajan与海鸥
1950年美国科学家DR.S.Sourirajan 有一回无意发现海鸥在海上飞行时 从海面啜起一大口海水，隔了几秒 后，吐出一小口的海水，而产生疑 问，因为陆地上由肺呼吸的动物是 绝对无法饮用高盐份的海水的。
经过解剖发现海鸥体内有一层薄膜， 该薄膜非常精密，海水经由海鸥吸 入体内后加压，再经由压力作用将 水分子贯穿渗透过薄膜转化为淡水， 而含有杂质及高浓缩盐份的海水则 吐出嘴外，此即往后反渗透法的基 本理论架构
3. 分离装置简单、操作方便
4. 分离系数大、应用范围广（汽油脱硫/溶剂回收/（醇水）共 沸点物）
5. 工艺适应性强、
6. 便于回收
750 m icrons
7. 没有二次污染
3、膜材料分类 MEMBRANE
MATERIALS
生物膜（生命膜）
材
天然膜 天然物质改性或再生
料
种
无机 - 陶瓷、金属、玻璃、分子筛碳膜
膜（MEMBRANE）
The membrane is at the heart of every membrane process and can be considered as a permselective barrier or interface between two phases.
Schematic representation of a two-phase system separated by a membrane.
平板式
微滤
复合膜结构-反渗透
Crosslinked Aromatic Polyamide 0.2 μ m
Nylon membrane
Support Membrane
Polysulfone 45μm
不对称膜结构－超滤 聚砜（PSf）
Substrate Polyester 150μm
中空纤维结构
聚酯支撑层（Polyester）