第二部分、第二章+膜技术.ppt

第二章膜技术 2 1膜的基本概念 2 1 1膜的定义广义的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 它可以是均相的或非均相的 对称型的或非对称型的 固体或液体的 中性的或荷电性的 定义 两个浓度相之间具有选择性的栅栏 2 1 2膜的分类 来源材料形态 结构制造 2 1 3膜的性能表征 膜的性能包括 1 物化稳定性 指膜的强度 允许使用的压力 温度 PH值以及对有机溶剂和各种化学药品的抵抗性 2 膜的分离透过性分离特性主要包括 a分离效率b渗透通量c通量衰减系数 2 2膜分离 2 2 1膜分离的基本原理膜分离是利用一张特殊制造的 具有选择透过性能的薄膜 在外力推动下 对混合物进行分离 基本原理 1 根据物理性质的不同 主要是质量 体积大小和几何形态差异 用过筛的方法将其分离 2 根据混合物的性质不同膜在结构和形态方面的差异与膜的分离机理有密切关系 直接与膜的应用相关联 如 多孔膜主要用于超滤 微滤和渗析过程电中性无孔膜主要用于反渗透 渗透汽化和气体渗透过程荷电的无孔膜主要用于纳滤和电渗析过程 2 2 2膜分离技术的特点 1 膜分离通常是一个高效的分离过程 2 膜分离过程的能耗通常比较低 3 多数膜分离过程的工作温度在室温附近 特别适用于对热过敏物质的处理 4 膜分离设备本身没有运动的部件 工作温度又在室温附近 所以很少需要维护 可靠度很高 5 膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化 而它的效率 设备单价 运行费用等都变化不大 6 膜分离由于分离效率高 通常设备的体积比较小 占地较少 2 3膜的制备 2 3 1合成材料膜的制备方法可以用来制备合成膜的方法有许多种 其中有些既可以制备高聚物膜 也可以制备无机膜 主要制膜方法有 1 烧结法 制备聚四氟乙烯膜 2 拉伸 制备结晶材料 3 径迹蚀刻 4 模取浸取 5 相转化 6 涂覆 2 3 2有机膜的制备 2 3 2 1聚合物的结构特征聚合物是由大量的单体链节构成 聚合物的结构特征 即是它们作为分离活性膜的内部和外部特征 主要由相对分子质量 有机高分子的化学结构和空间排列 不同分子间的相互作用等因素决定 1 相对分子质量聚合物不具有统一的相对分子质量 而是具有某种相对分子质量分布 但是 为了能够表示链长 经常以平均相对分子质量或聚合度的形式来说明平均分子大小 一般来说 随着链长的增长 在高分子内部和高分子之间相互作用部位的数目以及卷绕成团的聚合物键的数目也增多 2 有机高分子的化学结构和空间排列 要描述有机高分子的化学结构和空间排列 就需要对 1 构造 2 构型 3 构象等因素作出说明构造 参与构成高分子的原子或分子是什么 及其相互连接顺序 如 无规 交替 嵌段 接枝共聚物 构型 在高分子结构中 原子在三维空间的趋向 如等规 间规 无规立构 构象 由于化学键的旋转而形成的高分子立体结构 随环境条件的变化而变化 如 交叉 重叠式 图2聚合物的构造 图3聚合物的构型 3 不同大分子间的相互作用 在聚合物链之间 主要的相互作用力是以某种共价键合的形式出现的 交联聚合物 同时也存在一些次级的相互作用力 与主键力相比较 这些次级的相互作用只能引起较小的结合力 按结合力降低的顺序排列 它们可分为 1 氢键 2 偶极力 3 弥散力 交联度是十分重要的描述结构形状的参数在紧密细网眼交联的情况下 分子间有附加影响力的次级键对热稳定性 化学稳定性和机械稳定性几乎不重要 在疏松大网眼交联的情况下 聚合物的结构形状则主要由次级键决定 2 3 2 2不对称膜 目前 可以很成功地通过不对称结构来制备非常薄的膜 这样的膜不同于对称膜 是由一层很薄的致密表面 活性层 和一个置于其下的多孔支撑层构成的 活性层作为对传质过程真正有选择性的栅栏 基本上决定了膜的分离性能 相反 支撑层只是起着活性层的载体作用 基本不影响膜的分离性能 就不对称聚合物膜来说 可以区分为整体不对称结构和组合不对称结构两大类 对于这两种膜类型 可根据转相过程中制备参数的不同 或者根据聚合物薄膜的性质不同 既能制成多孔结构的膜 也能制成均质无孔结构的膜 对称膜又称为均质膜 是一种均匀的薄膜 膜两侧截面的结构及形态完全相同 包括致密的无孔膜和对称的多孔膜两种 图 a 所示 一般对称膜的厚度在10 200 m之间 传质阻力由膜的总厚度决定 降低膜的厚度可以提高透过速率 两种不对称膜的构造 2 3 2 3转相膜 制造转相膜典型而有效的材料是 1 乙酸纤维素或三乙酸酯 2 聚酰胺 对转相膜来说 膜的形成过程是以在某个三物料体系 聚合物 溶剂 凝固剂 中存在不完全溶混的区域为前提的 在这种情况下 膜是依照下列程序形成的 1 制备具有适宜粘度的均相聚合物溶液 2 将聚合物浇注溶液涂成薄膜 3 使部分溶剂蒸发出来 4 聚合物的沉淀凝固 5 熟化过程 恒温处理过程 2 3 2 4复合膜 在复合膜中 活性层和多孔支撑层是由不同的膜材料制成的 与转相膜相比 复合膜具有更高的自由度 下面介绍几种最重要的制备复合膜的方法 通过这些方法可以将活性层涂敷在支撑层上 1 浸渍法 2 界面聚合法 3 等离子聚合法 2 4膜的应用 2 4 1水的净化与脱盐 1 海水淡化与苦咸水淡化 2 电厂锅炉供水脱盐 3 超纯水制备 4 城市家庭饮用水的净化 5 纳滤膜技术在饮用水方面的应用 2 4 2在食品方面的应用 1 乳品加工 2 酒类生产 3 果汁加工 4 酶制剂生产 5 其他 2 4 3在医疗 卫生方面的应用 1 医疗 卫生用水 2 药品生产 3 医疗应用 4 中药提炼 2 4 4在石油 化工方面的应用 1 液膜法进行铀的分离与回收 2 膜法由合成氨释放气中回收氢气 3 膜法回收有机蒸汽 4 膜法之躯富氧空气 5 液膜法氨基酸的生成与分离 6 膜法回收油田三次采油中的二氧化碳 7 渗透蒸发法用于无水乙醇的生产 8 中空纤维超滤膜在油田注水中的应用 2 4 5在环境工程中的应用 1 电泳漆废水 2 电镀废水 3 纤维工业废水 4 造纸工业废水 5 含油 脱脂废水2 4 6其他应用 2 5膜分离技术的概况 2 5 1发展过程第一阶段 20世纪60年代的开创时期 第二阶段 20世纪70年代 进入开发阶段 第三阶段 20世纪80年代以后 90年代以来 更是进入全盛时期 1 液体分离膜的发展 1 离子交换膜和电渗析 2 反渗透 3 超滤2 膜法气体分离的发展3 其他 1 20世纪70年代末 我国开始了液膜的研究 2 20世纪80年