（环境工程专业论文）溶液共混方法在pvc膜改性中的应用研究.pdf

学位论文原创性声明 0 i i i lu l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i y 2 13 6 16 0 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：铭、扮如 同期：知f 年月西r 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借 阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密酬 学位论文作者签名：箔、品岛 日期：矽1 1 年月黟目 指导教师签名： 王乒 日期：肋纠年2 月2 矿日 东华人学硕l ：学位论文 摘要 溶液共混方法在p v c 膜改性中的应用研究 摘要 膜分离技术作为一项新兴技术产业，应用领域同益扩大。但膜分离过程中， 物料处理量大、易污染、使用价格昂贵等缺陷严重地阻碍了膜技术的推广和发展。 因此膜材料的开发、选择和制膜工艺的研究显得更加重要。聚氯乙烯( p v c ) 作 为工业生产中产量仅次于聚乙烯( p e ) 的第二大合成树脂，具备价廉易得，化 学稳定性好、机械强度高、耐微生物侵蚀等优点，是值得推广的膜材料。但是研 究表明聚氯乙烯成膜性能差、亲水性和韧性不足，因此需要对其进行改性。 目前对膜材料进行改性的方法主要有：接枝共聚、嵌段共聚、共混及等离子 表面照射等，其中利用溶液共混的方法制备膜分离材料是最简单、易行的方法。 它能将几种性质不同而相容性较好的成分结合在一起，起到相互补偿的作用，从 而制备出价格低廉、综合性能好的共混膜。聚偏氟乙烯( p v d f ) 具有化学性质 稳定、成膜性能优良、韧性好等优点，但价格太昂贵；聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 亲水性强，化学性质稳定，且价格低廉，但其制备的膜脆性大。因此将p v d f 、 p m m a 和p v c 共混，不但可以提高p v c 膜的成膜性能，还能改善其韧性及亲 水性能，从而制备出透水性好、机械性能好的聚氯乙烯膜。所以本研究拟使用溶 液共混法将p v d f 、p m m a 与p v c 共混，对p v c 膜进行改性，本论文主要进行 了以下几方面内容的研究： 首先对共混体系的相容性进行了研究。测定p v c p v d f p m m a 共混溶液的 剪切粘度与共混配比之间的关系，对共混体系的相容性进行了定性研究，结果表 明p v c p v d f p m m a 共混体系为部分相容性。然后采用聚合物溶液本征粘度法 对p v c p v d f p m m a 体系的相容性进行了定量研究，结果表明：共混配比为 8 ：1 ：1 、7 ：2 ：1 、6 ：3 ：1 、7 ：1 ：2 、6 ：1 ：3 和5 ：1 ：4 时，共混体系是相容的。 随后通过考察膜透过性能和机械性能随铸膜液中聚合物浓度、共混配比的变 化情况，确定了最佳共混比及适宜的聚合物浓度。结果表明，铸膜液中 p v c p v d f p m m a 的最佳共混配比为6 ：1 ：3 ，且当铸膜液质量分数为1 6 、铸膜 液温度为室温的条件下制备的共混膜性能最佳。 第三是确定共混体系在不同条件下成膜时的相分离诱导因素，研究不同相分 离方式对共混膜的形态结构和膜性能的影响。相分离可以是溶剂和非溶剂的相互 扩散所致，即扩散诱导相分离( d i p s ) ，也可以是因为温度降低或加入添加剂使 溶剂溶解能力减弱所致，即热致相分离( t i p s ) ，还可以是二者共同作用所致。 实验表明，在聚合物浓度不变的情况下，共混体系中加入不同质量浓度的三种分 子量的添加剂聚乙二醇( p e g ) 后，铸膜液在凝胶浴中成膜的相分离因素会发生改 东华大学硕士学位论文摘要 变。当p e g 2 0 0 ，4 0 0 ，6 0 0 的质量百分数低于1 5 、1 8 及2 0 时， p v c p v d f p m m a 共混溶液只能通过d i p s 成膜，而当质量百分数高于1 5 、 1 8 及2 0 时，该共混体系的相分离方式可以是d i p s 与t i p s 相结合，也可以 是热致相分离( t i p s ) 。通过对三种相分离情况下成膜的结构观察，结果表明：不 同相分离方式对共混膜的形态结构影响很大，d i p s 成膜和d i p s 与t i p s 共混作 用成膜时，膜断面均为含有指状孔的非对称结构；t i p s 成膜时，膜断面指状孔 结构转变为海绵状结构。通过膜性能测试表明：由d i p s 和t i p s 相结合制得的 共混膜水通量孔隙率有明显提高，截留率下降；通过d i p s 得到的共混膜，截留 率和断裂强度有明显提高，但水通量减小。 最后研究了添加剂无机小分子a 1 2 0 3 、t i 0 2 、s i 0 2 对p v c p v d f p m m a 共 混膜性能的影响。通过膜性能测试及扫描电镜等测试手段对无机小分子的添加效 果进行了考察。研究表明：加入五种小分子并没有改变共混膜的成膜机理，且均 可使膜的渗透通量和亲水性得到显著提高；对比添加纳米s i 0 2 、t i 0 2 和凝胶 s i 0 2 、t i 0 2 的共混膜，添加纳米s i 0 2 和凝胶t i 0 2 可有效提高共混膜的水通量， 而添加凝胶s i 0 2 提高了共混膜的机械性能。 关键词：p v c p v d f p m m a 体系，共混膜制备，相分离诱导因素，无机小分子 a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fs o l u t i o nb l e n d l n g i nm o d i f i c a t i o no fp v cm e m b r a n e a b s t r a c t m e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya san e wt e c h n o l o g yi n d u s t r yi s w i d e l yu s e di nm a n y a p p l i c a t i o nf i e l d s b u tt h ep o p u l a r i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h em e m b r a n et e c h n o l o g yi s s e r i o u s l yh a m p e r e db e c a u s eo fl a r g eq u a n t i t yo fm a t e r i a l sh a n d l e d ，e a s yt op o l l u t e da n du s e e x p e n s i v e ，e t c i nm e m b r a n es e p a r a t i o n p r o c e s s t h e r e f o r e ，d e v e l o p m e n ta n ds e l e c t i o no f m e m b r a n em a t e r i a l sa n dm e m b r a n em a n u f a c t u r ec r a f tr e s e a r c ha p p e a r st ob em o r ei m p o r t a n t p o l y v i n y lc h l o r i d e ( p v c ) a st h eq u a n t i t yo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na f t e rp o l y e t h y l e n e ( p e ) ，t h e s e c o n d - l a r g e s ts y n t h e t i cr e s i nw i t hc h e a p ，c h e m i c a ls t a b i l i t y , h i g hm e c h a n i c a ls t r e n g t ha n dg o o d r e s i s t a n c et om i c r o b i a le r o s i o ne t c ，a n di sw o r t hp o p u l a r i z i n go ft h em e m b r a n em a t e r i a l b u t r e s e a r c h e ss h o wt h a tp v cf i l mp e r f o r m a n c ei sp o o r , t h eh y d r o p h i l i c i t ya n dt o u g h h e s si sn o t e n o u g h s on e e dt ob ec a r r i e do nt h em o d i f i c a t i o n c u r r e n t l yt h em o d i f i c a t i o nm e t h o d so fm e m b r a n em a t e r i a l si n c l u d eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o n ， i n s e r t i n gs e c t i o nc o p o l y m e r i z a t i o n ，b l e n d i n ga n dp l a s m as u r f a c er a d i a t i o ne t c a m o n go ft h e s e ， s o l u t i o nb l e n d i n gi st h em o s ts i m p l ea n df e a s i b l em e t h o d i tw i l lc o m b i n a t i o no fs o m e c o m p o s i t i o nw h i c hh a v eg o o dc o m p a t i b i l i t yb u tw i md i f f e r e n tp r o p e r t i e s a n dp l a yt h er o l eo f m u t u a l c o m p e n s a t i o n ，w h i c h w i l lm a k et h e b l e n d i n gm e m b r a n ew i t hc h e a p a n dg o o d c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ( p v d f ) w i t ht h ec h e m i c a ls t a b i l i t y , e x c e l l e n tf i l m f o r m i n gp r o p e r t i e sa n dg o o dt o u g h n e s s ，b u tt h ep r i c ei st o oe x p e n s i v e ；p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e ( p m m a ) 衍t l lg o o dh y d r o p h i l i c ，t h ec h e m i c a ls t a b i l i t ya n dt h ep r i c ec h e a p ，b u ti t s b r i r l e n e s si sb i gi np r e p a r a t i o no fm e m b r a n e t h e r e f o r eb l e n d i n gp v d ep m m a 、i mp v c ，n o t o n l yc a ni m p r o v ef i l m f o r m i n gp r o p e r t yo fp v cb u ta l s oi m p r o v ei t st o u g h n e s sa n dh y d r o p h i l i c ， t h u st h ep e r m e a b i l i t yg o o dp r e p a r a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t yg o o dp v cf i l m s ot h i ss t u d yi st o u s et h em e t h o do fs o l u t i o nb l e n d i n gw h i c hb l e n d sp v d f , p m m aw i t l lp v ct om o d i f yt h ep v c m e m b r a n e t h i sp a p e rm a i n l yc a r r i e so u tt h ef o l l o w i n gr e s p e c t so fc o n t e n t ： f i r s to fa l l ，t h ec o m p a t i b i l i t yo ft h eb l e n d i n gs y s t e mi ss t u d i e d t h eq u a l i t a t i v er e s e a r c hf o r t h ec o m p a t i b i l i t yo ft h eb l e n d i n gs y s t e mi sd i s c u s s e db yd e t e r m i n a t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es h e a r i n gv i s c o s i t yo fp v c p v d f p m m ab l e n d i n gs y s t e ma n db l e n d i n gr a t i o t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eb l e n d i n gs y s t e mo fp v c p v d f p m m ai sp a r to ft h ec o m p a t i b i l i t y t h e nt h e q u a n t i t a t i v e l yr e s e a r c hf o rt h ec o m p a t i b i l i t yo ft h eb l e n d i n gs y s t e mi s d i s c u s s e db yi n t r i n s i c v i s c o s i t ym e t h o d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h eb l e n d i n gr a t i o sa r e8 ：1 ：1 ，7 ：2 ：1 ，6 ：3 ：1 ，7 ：1 ：2 ， 6 ：1 ：3a n d5 ：1 ：4t h eb l e n d i n gs y s t e mi sc o m p a t i b l e t h e n ，t h ep e r m e a b i l i t ym a dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eb l e n d i n gm e m b r a n ea r ei n v e s t i g a t e d i i i 东华大学硕主兰垡笙壅 塑茎 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - 一一 w i t ht h ec h a n g e so ft h ep o l y m e rc o n c e n t r a t i o na n db l e n d i n gm t i oi nt h ec a s t i n gs o l u t i o n ，a n dt h e b e s tb l e n d i n gr a t i oa n dt h es u i t a b l ep o l y m e rc o n c e n t r a t i o na r cc o n f n m e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eo p t i m u mb l e n d i n gr a t i oo ft h ec a s t i n gs o l u t i o ni s6 ：1 ：3 ，a n dw i t ht h ec o n d i t i o n so ft h a tt h e p o l y m e rc o n c e n t r a t i o no f t h ec a s t i n gs o l u t i o ni s16 a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h ec a s t i n gs o l u t i o ni s r o o mt e m p e r a t u r e ，t h eb l e n d i n gm e m b r a n ew i l lh a v et h eb e s tp e r f o r m a n c e t h et h i r di st od e t e r m i n et h ei n d u c e dp h a s es e p a r a t i o nf a c t o r so ft h eb l e n d i n gs y s t e mi n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n ds t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tp h a s es e p a r a t i o nm e c h a n i s m so nt h e m o r p h o l o g ya n dp e r f o r m a n c eo ft h eb l e n d i n gm e m b r a n e p h a s es e p a r a t i o nc a nb ei n d u c e db y m u t u a ld i f f u s i o nb e t w e e nt h es o l v e n ta n dn o n - s o l v e n t ，d i f f u s i o ni n d u c e dp h a s es e p a r a t i o n ( d i p s ) a l s oi si n d u c e db yt h a td i s s o l v i n ga b i l i t yi sd e c r e a s ed u et ot h er e d u c e dt e m p e r a t u r eo ra d d i n g a d d i t i v e s ，t h e r m a l l yi n d u c e dp h a s es e p a r a t i o n ( t i p s ) s t i l li so w i n gt ob o t ht h et w om e c h a n i s m s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ep o l y m e rc o n c e n t r a t i o ni sc o n s t a n tt h ei n d u c e dp h a s e s e p a r a t i o nf a c t o r so ft h ec a s t i n gs o l u t i o nw i l lb ec h a n g e d ，w h i l ea d d i n ga d d i t i v e sp o l y e t h y l e n e g l y c o l ( p e g ) 谢l l lt h r e em o l e c u l a rw e i g h ti nd i f f e r e n tq u a l i t yc o n c e n t r a t i o n w h e nt h eq u a l i t y p e r c e n t a g eo fp e g 2 0 0 ，p e g 4 0 0a n dp e g 6 0 0 a r el e s st h a n1 5 ，1 8 a n d2 0 ，t h e p v c p v d f p m m ab l e n d i n gs o l u t i o nc a no n l yf i l m e db yd i p s w h i l et h eq u a l i t yp e r c e n t a g ei s h i g h e rt h a n15 ，18 a n d2 0 ，t h ep h a s es e p a r a t i o nm e c h a n i s m so ft h eb l e n d i n gs y s t e mc a nb e c o m b i n a t i o nd i p sw i t ht i p s ，a l s oc a nb et h et i p s t h r o u g ho b s e r v i n gt h es t r u c t u r eo ft h e m e m b r a n ew h i c hm a d eu n d e rt h r e ep h a s es e p a r a t i o nm e c h a n i s m s ，t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti s e n o r m o u si m p l i c a t i o n so fd i f f e r e n tp h a s es e p a r a t i o nm e c h a n i s m so nm e m b r a n e ss t r u c t u r e w h e n t h em e m b r a n e sm a d eb yt h em e c h a n i s m sp u r ed i p so ri t sc o m b i n a t i o nw i t ht i p s ，t h e c r o s s - s e c t i o n a ls t r u c t u r ew i l lb ea s y m m e t r i c 丽mf i n g e r - l i k em a r o - v o i d ；w h b et h em e m b r a n e m o r p h o l o g yc h a n g e df r o mf i n g e r - l i k em a r o - v o i dt os p o n g ys t r u c t u r e t h em e m b r a n ep e r f o r m a n c e t e s ts h o wt h a t ，t h ew a t e rf l u xa n dp o r o s i t yo ft h eb l e n d i n gm e m b r a n ea r eo b v i o u s l yi m p r o v e db y c o m b i n a t i o nd i p sw i t ht i p s ，b u tt h er e t e n t i o ni sd e c r e a s e t h er e n t a t i o na n db r e a k i n gs t r e n g t h a r ei n c r e a s es i g n i f i c a n t l yb yd i p s ，b u tt h ew a t e rf l u xi sr e d u c e f i n a l l y , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ei n f l u e n c eo fi n o r g a n i cs m a l lm o l e c u l e sa d d i t i v e so f a 1 2 0 3 ，t i 0 2a n ds i 0 2o nb l e n d i n gm e m b r a n e sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ee f f e c t so fi n o r g a n i c s m a l lm o l e c u l e sa d d i t i v e sa r ed i s c u s s e db yt e s tm e a n so fm e m b r a n ep e r f o r m a n c et e s t i n ga n d s c a n n i n ge l e c t r o m e t r ym i c r o s c o p y ( s e m ) e t c t h er e s u l t ss h o wt h a ta d d i n gf i v ek i n d so fs m a l l m o l e c u l e sd o n tc h a n g et h ef i l mf o r m i n gm e c h a n i s m ，a n da l lo ft h e mc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h ep e r m e a b i l i t yf l u xa n dh y d r o p h i l c i t y c o m p a r i s i o nt h em e m b r a n e sm i x e dw i t hn a n o m e t e rs i 0 2 ， t i 0 2a n dg e ls i 0 2 ，t i 0 2 ，a d d i n gn a n o m e t e rs i 0 2a n dg e lt i 0 2c a ne f f e c t i v e l yi n c r e a s et h e m e m b r a n e sw a t e rf l u x ，a n dm i x e dg e ls i 0 2c a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 东华大学硕： = 学位论文 摘要 k e yw o r d s ：p v c p v d f p m m as y s t e m ，b l e n d i n gm e m b r a n ep r e p a r a t i o n ，i n d u c e dp h a s e s e p a r a t i o nf a c t o r s ，i n o r g a n i cs m a l lm o l e c u l e s v 东华大学硕士学位论文 摘要 v i 目录 中文摘要i 英文摘要i i i 第一章绪论1 1 1 前言l 1 2 膜分离的技术概况1 1 2 1 膜分离的基本概念1 1 2 2 膜分离过程分类及特点2 1 2 3 高分子膜分离技术发展概况4 1 3p v c 膜的国内外研究现状6 1 4 聚合物膜材料的改性研究9 1 4 1 常用膜材料改性方法9 1 4 2 聚氯乙烯膜改性研究现状1 0 1 5 聚合物溶液共混相容性研究的方法l2 1 6 聚合物膜相分离方式的研究1 3 1 6 1 聚合物膜的制备工艺1 3 1 6 2 聚合物膜的相分离方式研究1 6 1 7 无机小分子对聚合物膜性能的影响研究1 7 1 8 本课题的研究内容1 9 第二章p v c p v d f p m m a 共混相容性研究2 0 2 1 相容性的概念及分类2 0 2 2 相容性理论的热力学基础一2 0 2 3 本征粘度法确定聚合物聚合物相容性的理论基础2 2 2 4p v c p v d f p m m a 共混相容性的测定研究2 4 2 4 1 实验材料及方法2 4 2 4 2 溶解度参数法表征相容性的研究2 5 2 4 3 剪切粘度法表征相容性的研究2 6 2 4 4 本征粘度法表征相容性的研究2 7 2 5 本章小结2 8 第三章共混膜铸膜液最佳共混比及适宜的聚合物含量的确定2 9 3 1 实验材料及方法2 9 3 1 1 实验材料及试剂( 见2 4 1 1 ) 2 9 3 1 2 实验设备及仪器2 9 3 1 3 共混膜的制备2 9 3 1 4 膜性能测试3 0 3 2 结果与讨论31 3 2 1 适宜的聚合物浓度3l 3 2 2 最佳共混比的确定3 2 3 3 本章小结3 7 第四章相分离方式对p v c p v d f p m m a 共混膜性能的影响3 8 4 1 引言3 8 4 2 实验原料及方法3 8 4 2 1 实验材料及试剂3 8 4 2 2 实验仪器3 8 4 2 3 相分离诱导因素的确定3 8 4 2 4 共混膜的刮备3 8 4 2 5 膜性能测试( 见3 2 4 ) 3 9 4 3 结果与讨论3 9 4 3 1 添加剂p e g 对p v c p v d f p m m a 共混体系相分离方式的影响3 9 4 3 2 相分离方式对共混膜的形态结构的影响3 9 4 3 3 不同相分离法对共混膜孔隙率的影响4 2 4 3 4 相分离方式对共混膜水通量和截留率的影响4 2 4 3 5 相分离方式对p v c p v d f p m m a 共混膜机械性能的影响4 3 4 4 本章小结4 4 第五章无机小分子对p v c p v d f p m m a 共混体系膜性能的影响4 5 5 1 弓l 一言4 5 5 2 实验原料及方法4 5 5 2 1 实验材料与试剂4 5 5 2 2 实验仪器4 5 5 2 - 3 小分子溶胶的制备4 5 5 2 4 共混膜的制备4 6 5 2 5 膜性能测试( 见3 2 4 ) 4 6 5 3 结果与讨论4 6 5 3 1 无机小分子物质对共混膜的形态结构4 6 5 3 2 无机小分子物质对共混膜纯水通量的影响4 8 5 3 3 无机小分子物质对共混膜断裂强度的影响4 9 5 3 4 无机小分子物质对共混膜断裂伸长倍数的影响5 0 5 3 5 无机小分子物质对共混膜亲水性的影响5l 5 4 本章小结5 l 第六章结论5 3 参考文献5 5 致谢6 l 攻读硕士学位期间发表论文6 2 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 膜技术是一种新兴的技术，被认为是2 l 世纪的水处理技术，由于其多学科性 特点，膜技术可以应用于多个行业不同物质的分离过程中【l 翻。从经济观点看， 目前正处于从微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 、电渗析( e d ) 、 膜电解( m e ) 、扩散渗析( d d ) 、及透析等第一代膜过程向气体分离( g s ) 、蒸 汽渗透( v p ) 、全蒸发( p v ) 、膜蒸馏( m d ) 、膜接触器( m c ) 和载体介导传 递等第二代膜过程的过渡时期。与常规分离方法相比，膜过程具有能耗低、可实 现连续分离、单级分离效率高、过程简单、不污染环境等优点，是解决当代能源、 资源和环境问题的重要高新技术，并将对2 l 世纪的工业技术改造起着深远的影响 【3 4 】。自6 0 年代膜分离技术工业化以来，在膜分离领域一直担当主角的有机高分 子膜具有制各工艺简单、膜材料品种多、容易改性、柔韧性好、价格便宜、可以 制成各种形式的膜组件等特点得到广泛研究和应用。今后膜材料的发展趋势之一 就是继续开发功能高分子膜材料，具体就是继续进行各种分子结构、各种功能基 团有机高分子膜材料的合成；根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，对膜 的表面进行改性；研究新的成膜工艺，进一步发展制备超薄、高度均匀的有机膜 技术。通过发展高分子合金膜这一简单易行的方法，经过漫长的研究过程最终达 到仿生这一高分子分离膜的最终目标。 1 2 膜分离的技术概况 1 2 1 膜分离的基本概念 膜分离技术是指用使用天然的或合成的高分子膜，以压力差、电位差、浓度 差或温度差( 以及它们之间的组合) 为动力，对双组分或多组分流体的溶质( 或分离 相) 和溶剂( 或连续相) 进行分离、分级、提纯、富集的方法。这里所指的“膜 ( m e m b r a n e ) 应和一般意义上的薄膜( f i l m ) 区别开来，膜是指位于一种流体相内或 两种流体相问的一层薄的凝聚相物质。对于分离膜来说，可将它看作是两相之间 的一个半渗透的隔层，把流体相分割开以阻止两相直接接触，该隔层既可以是固 体的，也可以是液体的，甚至是气体的，半渗透的性质是为了保证分离效果。典 型的膜过程有微滤、超滤、纳滤、反渗透、透析、电渗析和渗透蒸发等。 膜分离过程以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种动力( 如压力差、浓 度差、电位差等) 时，原料侧组分选择性透过膜，以达到分离、提纯的目的。膜 东华人学硕士学位论文第一章绪论 分离方法可用于液态和气态的混合物。对液态混合物的分离，可用于水溶液体系、 非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系。 1 2 2 膜分离过程分类及特点 1 2 2 。1 膜分离过程 为了实现一个特定分离目的，可以选择不同的分离过程。分离的目的大致分 成： 浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂； 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应效率。 根据所要分离的组分的不同的物理性质或化学性质，可以将分离过程进行分 类，见表1 1 。 表卜1 基于分子不同物理或化学性质的分离过程 物理或化学性质 分离过程 火小 蒸汽压 凝固点 亲和性 电荷 密度 化学性质 过滤、微滤、超滤、透析、气体分离、凝胶渗透色谱 蒸馏、膜蒸馏 结晶 萃取、吸附、吸收、反渗透、气体分离、全蒸发、亲和色谱 离子交换、电渗析、电泳、扩散渗析 离心 配合、载体介导传递 从表1 1 中可以看出，利用分子大小、蒸汽压、亲和性、荷电性及化学性质 的差异均可实现膜分离。但是，上述分离过程的机理有很大差别：精馏和膜蒸馏 是基于蒸汽压的不同，反渗透是基于水和盐的溶解度及在膜中扩散能力的不同， 而电渗析则是基于离子在有电荷选择性的离子交换膜中的传递等。因此，可以利 用不同的分离原理，而且还可能是几种组合，这正是膜过程区别于其他分离过程 的特点之一，也使膜过程可以用于不同的分离场合。 膜分离过程即采用膜实现某一特定分离过程。由于膜与渗透组分之间的物理 性质或化学性质的不同，膜可以使某一特定组分更容易通过。在膜分离过程中， 原料被分成两股物流，即截留物或增浓物和渗透物( 图1 ) ，两者之中任何一种 皆可为产物。如目的是浓缩，则截留物为产物；对于纯化的情况，截留物和渗透 物均可能为产物；对于分离而言，截留物中任何一种均可为产物；反应促进即利 用膜过程同化学反应和生物反应结合，此时选用适当的膜过程可以除去某一产物 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 从而改变化学平衡，促进反应朝所希望的方向进行。 膜器 渗透物 图卜1 膜过程示意图，原料被分成渗透物和截留物两股物流 1 2 2 2 膜分离过程的特点 膜技术是一种新兴的技术，由于其选择性强、分离效果好以及多学科性特点， 膜技术已经被用于各种行业不同物质的分离过程中。膜分离可以实现从颗粒大小 一直到分子或离子尺寸微粒甚至生物体级分的更高层次的分离，是采用传统的分 离方法，如筛分、过滤、离心分离、浓缩、蒸馏、重结晶和溶剂萃取等难以实现 的，所以膜分离技术及其过程越来越受到各行各业研究人员的关注。与传统的化 工分离技术方法相比，归纳起来膜分离技术有以下优点： ( 1 ) 膜分离技术适应性强，处理规模可大可小，操作及维护方便，易于实现自 动化控制。 ( 2 ) 膜分离过程中，体系往往没有发生相变化和化学反应，因此能耗低，其中 反渗透技术尤为突出。 ( 3 ) 膜分离过程易与其他分离过程相结合，所使用的膜的性能可以调节。 ( 4 ) 膜分离过程中，一种物质得到分离，另一种( 或一些) 物质则被浓缩，分 离与浓缩同时进行，可以用来回收那些有价值的物质资源。 ( 5 ) 根据膜的选择透过性和孔径大小的不同，可将不同粒度的物质分开，大分 子和小分子物质分开，使物质得以纯化的同时又不改变其原有的属性。 ( 6 ) 膜分离过程中，一般不需要填加物，可节省材料和化学药品。 ( 7 ) 膜分离工艺可在温和条件下实现分离，对热敏性和热不稳定物质没有损害， 这对药制剂、酶制剂、果汁等的分离浓缩很有裨益。 ( 8 ) 膜分离过程没有二次污染，而且还可能从三废中回收有用物质，降低污染 程度。 应当说明的是，这里总结的膜技术的特点是非常定性的，且不同过程及不同 应用场合会有很大差别。但是基于以上种种的优点，膜分离技术在许多工业领域 运用日益广泛，如化工、轻纺、食品加工、生物工程、医用材料和器械、海水淡 化和超纯水的制造、各种饮料的浓缩和除菌、污水的处理和回收等生产领域和科 技领域，并且取得了良好的经济效益和社会效益【5 】。 东华人学硕：i ：学位论文 第一章绪论 1 2 3 高分子膜分离技术发展概况 关于膜技术发展历史可以从两方面看，即膜科学发展和工业进展。在1 8 世 纪中叶，已经有人观察和研究了膜现象，但那时只是涉及膜的屏障性质及相关