高分子分离膜的简述--修改一.doc

高分子分离膜的简述高分子分离膜论文题目太过大。及应用（高材34班、材料工程学院、芜湖职业技术学院）摘要：膜材料是膜分离技术的关键，高分子分离膜是用高分子材料制成的，具有选择性透过功能的半透性薄膜。是一种能耗低，效率高的分离材料。本文介绍高分子分离膜的主要材料、分类以及高分子分离膜在日常生活中的广泛应用，并且论述了高分子分离膜的发展前景等。关键词：高分子 分离膜 渗透 反渗透 前言：人类对于膜现象的研究源于1748年，1950年wJuda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。在现代科学与工业的大多数领域中, 分离技术的作用和重要性越来越大。膜分离技术是适应当代新产业发展的一项高技术，被公认为20世纪末至2l世纪中期最有芨展前途的高技术之一。高分子分离膜广泛应用于海水淡化、食品浓缩、废水处理、富氧空气制备、医用超纯水制造、人工肾及人工肺装置、药物的缓释等方面。以及核燃料及金属提炼，气体及烃类分离，海水及苦咸水淡化，纯水及超纯水制备，环境保护和污水处理等。本文对目前研究最多的超滤膜、纳滤膜、渗透汽化膜和气体分离膜材料等做一概述。1.高分子分离膜的发展及分类 膜广泛存在于自然界，起着分隔、分离和选择性透过等功能。自1748年人类首次发现水能自然的扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内这一膜分离现象以来，人们做了大量的研究工作。然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则足近几十年来的事。随着新型高分子材料的开发，分离功能材料在功能高分子材料中己占有十分重要的地位。1994年世界分离膜的总产值己达22亿美元。并以12-15年需求增跃速率快速向前发展。20世纪50年代前，主要是膜分离科学的基础理论研究，膜分离技术初步在分离和富集微生物、微粒方面得到一屿应用。到了20世纪60年代后，徼滤、反渗透、超滤、气体分离等技术得到迅速发展，许多膜分离技术实现了工业生产，并得到广泛的心用。进入20世纪80年代以后，对新的膜材料、新的膜分离方法不断开发研究，使膜分离技术越来越受到人们的关注。膜材料的发展很快，高分子分离膜是一种节能、高效、具有特殊传质功能的高分子材料。随着人们对膜及其性能认识的逐步深化，人们已知膜的种类越来越多。这近十年没有发展？高分子分离膜对某种物质具有选择透过能力，是其作为分离材料的基本特征。被分离物质的选择透过则需借助某些外力，如重力，机械压力或者是电场力的作用下实现，高分子分离膜从不同的角度下有不同的分类。（1）按膜的外观形态分类。分成平板膜，褶状膜,，螺旋膜， 管式膜，卷式膜，中空纤维膜。（2）按分离过程中不同的用途分类。分成扩散透析膜， 渗析膜，电渗析膜，微孔过滤膜，超细过滤膜，反渗透膜，气体分离膜，液体分离膜，仿生膜。 （3）按成膜材料结构分类。分成均质膜,非均质膜, 复合膜, 离子交换膜。常见的分离膜有以下几种： (1)微滤膜：此类膜主要应用于压力驱动分离过程，膜孔径的范围在0.1-10m之间，主要用于溶液的消毒、脱菌和脱除各种悬浮微粒。 (2)超滤膜：其孔径的范围在100 nm之间，常用于脱除粒径较小的大体积溶质，包括胶体级的微粒和大分子。 (3）超细滤膜：膜的孔径范围在0.1-10nm之间，主要用于脱除溶液中的溶质。 (4）密度膜：它几乎不存在人为的微孔，主要用于离子的分离。 (5)电透析膜：其分离的主要驱动力来源于电场力，用于离子的分离。 (6)液体膜：此种膜在使用过程中仍以液态存在，具有传质速度快、选择性高、分离效率高、浓缩倍数高、操作简单等特点。由于它相对于同体膜在分离上的优点，20世纪60年代问世后，就以惊人的速度发展。液体膜的发展经历了带支撑体液膜、乳化液膜和含流动载体乳化液膜三个阶段。 除了上述密度膜、多孔膜和液体膜外，常见的分离膜还有以下儿种：根据成孔方法分成溶胀密度膜、拉伸半晶体多孔膜和烧结多孔膜，以及特殊的界面型LB膜和自我成型膜（SA）。重新整理。2. 高分子分离膜的分离材料、机理和过程2.1 分离材料 具有成膜性能的聚合物是制备分离膜的最好材料。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, 韧性和抗折性是共通的。下述四种高分子材料被广泛用于制作分离膜。（1） 纤维素酷类。如纤维素醋酸脂, 常用于制作反渗透膜, 超过滤膜和医用透析膜等。（2） 烯烃均聚物或共聚物。如聚乙烯醇,聚苯乙烯, 聚四氟乙烯等, 常用于微孔过滤膜, 超过滤膜, 反渗透膜等。（3） 特种缩聚物。如聚矾、聚碳酸醋、聚酞亚胺等。这类膜耐高温, 多用作过滤膜和海水淡化中的反渗透膜。（4） 高分子电解质。如全氟磺酸或全氟梭酸共聚物, 主要用于氯碱工业中的电渗析膜。2.2机理和过程 通常，在透过膜进行传质时，膜两侧必须有浓度差、压力差、电位差或温度差等驱动力的存在。从热力学角度看，这些驱动力应全部作为膜两侧的化学位差明确的表现出来。一般的溶质的移动叫渗析。如果驱动力是基于压力差的化学位差，溶质的移动是压渗析，溶刺的移动有反渗透、超过滤等。根据膜特征、驱动力和分离特点，膜分离机理可分为以下几类。 (1)密度膜分离：低分子透过致密的密度膜的机理是基于溶解扩散理论。膜的表面首先吸附低分子，并且和附近的聚合物均匀混合而形成一种混合溶液，完成溶解。然后低分子会向浓度低的一侧移动或输运，即扩散。山干低分子对膜的溶解性能的差异，以及扩散速度的不同，从而达到分离效果。 (2)微过滤：是一种以压力差为推动力的分离过程，应用于从气相或液相物质中截留分离微粒、细菌、污染物等。截留机理一般有机械截留、架桥作用和膜网络内部截留。由于用于微过滤的多孔膜孔径较大，一般压力差在0.1-2Kg/cm2。 (3)超过滤：也是一种以压力差驱动的分离过程，压力差范围一般为1-10 kgcm2。用于把溶剂、离子及小分子与微生物、胶体及各类大分子分开。其分离截留机理通常用“筛分”理论来解释。认为膜表面的微孔就像筛子的筛孔一样，可以截留住直径大干孔径的溶质和颗粒。当然膜表面的化学特征也对物质的分离起作用。 (4)超细滤：与微过滤和超过滤一样，此法也是压力驱动分离，但它的工作压力差大到1070 kgcm2，以致可以克服固有的渗透压使溶剂从高浓度的一侧向低浓度的一侧渗透，所以此法又叫反渗透。反渗透中水可以通过膜，而悬浮物、溶解物和胶体被截留，从而用于水的脱盐与净化，具有广泛的应用。 (5)透析：是一种以浓度差为推动力的膜分离过程。其分离机理为扩散、溶解和过滤常用于脱除大分子溶液中的小分子溶质。现在，透析已逐渐被超滤技术所取代。但对某些高浓度的蛋白质溶液，此法仍比较合适。 (6)电渗析：是在A流电场的作用下，以电位差为推动力，利用膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化目的的一种分离过程。电渗析过程足电解和透析过程的组合。 (7)气体分离：气体渗透膜可分为多孔质与非多孔质(匀质)两大类。此分离过程中，主要是根据混合料气中各组分的作用下，通过气体分离膜的相对传递速度不同而得以分离。气体分离膜制备的关键问题是如何达到超薄。气体分离是膜应用的重要方面。 （8）渗透蒸发：也叫渗透汽化，是指被分离物透过膜时，在膜的两侧的组分的蒸汽压的作用下。液体混合物的部分的蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。这种分离过程中是以浓度差为推动力，蒸气可以透过膜，液体不能通过。渗透蒸发技术是膜分离的一个新分支。3.高分子膜的制备 膜材料的制备方法包括膜制备原料的合成、膜的制备和膜功能的形成三部分。除使用单体进行原位聚合直接形成功能膜这一特殊方法外，膜的制备包括聚合物合成、聚合物溶液制备、膜成型和膜的功能化几个具体步骤。21聚合物溶液的制备 当聚合物材料已经选定时，各种溶液体系的选择就很重要了。在分离膜的制备过程巾溶剂根据其作用不同，可以作为溶解介质、成孔剂、溶胀剂和相分离剂等。选择溶剂时一般要考虑溶剂与聚合物分子的作用力、聚合物性质、溶液组成、环境条件(如温度、压力和浓度)等因素。22密度膜的制备 密度膜是指膜本身没有明显孔隙，某些气体和液体的透过是通过分子在膜中的溶解和扩散运动实现的一种分离膜。此类膜的制备主要有三种方法： (1)聚合物溶剂沣膜成型法。(2)熔融掩伸成膜法。(3)直接聚合成型法。制备得到的密度膜可以直接用于气体混合物的分离。23相转变多孔分离膜制备过程 采用改变相态法制备聚合物分离膜是膜制备方法中最重要的路线。根据从分子分散的单一相溶液向大分子溶胶转变的过程不同，可以将制备方法分为以4种： (1)干法成膜：干法也称完全蒸发法，是最早使用也是最容易的一种方法，通常选择两种对该聚合物溶解性完全不同的溶剂，并要求这两种溶刺的沸点有一定的差距。具体过程是将聚合物溶解在溶解力强的溶剂中，再加入一定量的非溶剂调节聚合物的饱和度，制成分子分散的单一相或者超分子聚集体的双分散相溶液。用此溶液注膜后，提高温度，低沸点的溶剂首先挥发，留下非溶剂使聚合物溶解度逐步下降，逐步变成聚合物相连续的溶胶，继续提高温度除去溶胶中的非溶剂后，即留下多孔性的聚合物膜：此种方法制备的分离膜的孔径和空隙率影响因素有。聚合物浓度、溶液中非溶剂与聚合物的体积比、环境湿度、溶剂与非溶剂的沸点差和聚合物分子量。 (2)湿法成膜法：湿法也称为溶剂交换法。具体方法有两种：一种是聚合物溶液制备好后先经过一个不完全蒸发阶段，使聚合物溶液的浓度和粘度提高，然后再将此溶液放人非溶剂浴中进行溶剂交换，使溶液发生相转变胶化；另一种是直接将制备好的聚合物溶液放入非溶剂浴中进行溶剂交换。此法制备的膜的空隙率主要取决与加入的成孔剂。水或醇类一般可以提高膜的空隙率，而胶化温度会增加膜的空隙率、容胀程度和透过率。 (3)热法：热法是利用聚合物溶液在温度不同时溶解度的较大变化来制备多孔膜的。聚合物和溶剂混合后，通过加热输入能量产生分子分散相溶液，然后逐步降低温度使其成为超分子聚集态分散相溶液，温度再进一步降低，溶液发生相转变，完成胶化过程。？ (4)聚合物辅助法：该方法是利用两种共混聚合物的溶解性质差别来制备多孔膜。首先将两种相容性较好的聚合物溶解在一种溶剂中，制成粘度合适的聚合物溶液，注膜成型后，将其放人第二种溶剂中，溶解掉其中一种水溶性聚合物，留下多孔性溶胶。两种聚合物的相容度越好，孔径越小。以上这4种方法都是制备单一的膜，人们为了扩展分离膜的性能和应用，还发展了由多种膜结合在一起的复合膜。4.膜分离技术在工业中的应用4.1 水处理(1) 海水、苦咸水的淡化 世界上淡化水的方法主要有：蒸馏法、电渗析法、冷冻结晶法、液膜法及反渗透法。其中反渗透法因能量消耗最小而最有前途。世界上最大的反渗透海水淡化厂在沙特。另外日本、美国也有大型的的反渗透淡化水厂。我国宝钢总厂自备电厂采用了反渗透-离子交换的联合处理流程，取得了满意的效果。(2)纯水、超纯水的制备 采用反渗透法、超滤法等能较好的克服传统采用的化学凝聚、离子交换树脂等厅法的缺点，流程简单、成本低廉、水质优良。美1日电子工业的绝大部分纯水都是采用反渗透的预处理过程。(3)工业废水的处理 膜法作为新兴、高效的方法在国内外已广泛应用于处理工业废水。特别是反渗透法和液膜法的应用最为广泛。如采用超过滤法处理电泳漆；电透析处理造纸废水、电镀废水、印刷制版废水、液膜法回收废液中的锌等。4.2混合物质分离和浓缩 利用膜对不同物质选择性透过作用，可以将混合物质得到分离。或者将某些低浓度物质浓缩富集。比如采用反渗透法进行糖汁的浓缩，采用渗透汽化法对水（有机液/有机液体系可以是甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、四氯吠喃等)体系进行分离，采用越滤技术完成人血清蛋白的浓缩、血液的纯化及无水乙醇的生产等。4.3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。还可以用渗析法从人造丝浆压榨液中回收碱，电渗析也可以从废水中叫用再生水及回收铜等。另外，用膜蒸馏法也可以分离提纯天然盐水中的食盐和芒硝。4.4气体的分离和富集 现在入们对气体分离膜的研究很多，研究其选择性、透过性、结构表征等。常见的膜有富氧膜、富氮膜、富氢膜及对SO2的富集膜，另外还有C02CH4，H2CH4，H2N2的分离膜等等。种类繁多，应用广泛。4.5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。综述了同体电解质膜的发展历史及现状，并对其将来的应用前景作了展望。4.6食品、医疗及生物上的应用 膜的分离技术广泛应用于食品的脱酸、脱矿，以及啤酒的保存、蔬菜的保鲜等方面，在医学上主要是用于人工肾脏、人工肝脏、人工肌肉、骨的再生等”。5.高分子膜材料展望 膜分离技术的核心是膜，分离膜材料的化学性质和膜的结构对膜分离的性能起着决定性影响。合成高分子材料以其良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化性能，一直占据分离膜材料的主导地位。但目前这类高分子材料大多为已有商品高分子，并非按膜分离需要设计合成，这也是目前一些膜性能不理想的原因，因此根据现今对膜分离机理的认识，继续合成各种分子结构的功能高分子，制成均质膜，定量地研究分子结构与分离性能之间的关 系；根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，通过改变高分子的自由体积和链的柔软性，改进其分离性能或改变其物理、化学性质；发展高分子合金，使膜具有性能不同甚至截然相反的基团，在更大范闱内调节其性能，是高分子膜材料将要集中研究的几个方面。总之, 高分子分离膜的用途越来越广泛。据报道, 世界上已经有数千座大型海水脱盐厂采用高分子分离膜进行脱盐制淡水, 中空纤维超滤膜和反渗透膜用于制备电子工业和超大规模集成电路用的超纯水, 每毫升水只含3个以下细菌。中空纤维分离膜也可用于水处理和含铬等重金属的电镀水处理等。近年来杜邦公司研制出了PEEK中空纤维超滤膜和反渗透膜, PEEK的平均分子量为39200, 该分离膜可分离分子量为36万左右的物质, 分离率为80%。在人体医学领域, 人工肾, 人工肺, 人工肝和人工脾都是用中空纤维分离膜制的。在生物化学领域, 可以将聚乙烯醇超细纤维载体, 生物酶和有机硅中空纤维富氧膜组合起来形成高活性的生物膜, 它可将活性污泥固定其上, 当进行葡萄糖系人工排水处理时, 与一般标准活性污泥法相比, 处理速度可提高一倍, 且无需进行活性污泥的分离, 效