膜表征方法简介

膜表征方法简介 姓名 王栋专业 化学工程 膜表面和断面结构 电子显微镜 原子力显微镜孔径和孔径分布 泡压法 滤速法 压汞法 干湿膜空气滤速法 电子显微镜观测法截留率 溶质截留率测定法 用于UF 孔隙率 干 湿膜质量差法脱盐率 水通量 膜的压密性 用于RO 膜的亲水性和疏水性 测定接触角法膜的荷电性 交换容量C 膜电阻Rm 膜电位Em 膜结构与性能的表征方法 电子显微镜法 电子显微镜是用于膜表征的一种设备 可以分成两种 扫描电子显微镜 SEM 和透射电子显微镜 TEM 对于研究和表征微滤膜的多孔结构 可以对膜的表面和横断面进行观察 简单电子显微镜的分辨率为0 01 m 10nm 更高级电子显微镜的分辨率可达5nm左右 微滤膜的孔径为0 1 10 m 扫描电子显微镜是用于表征微滤膜的简单而有效的仪器 对表层 横断面和底层可得到清晰又简洁的图象 原理 一束动能为1 25V的入射电子 又称为一次电子 撞击在膜试样上 从试样表面原子中撞击出二次电子 这些二次电子在检测器的屏幕上形成一定的图象 为避免试样被烧坏 可在表面上覆盖一层导电层防止表面带电 通常用金制薄层 即喷金 扫描电子显微镜原理示意图 SEM法观察到的聚醚酰胺膜的表层 放大倍数3000 不对称聚砜超滤膜横截面 原子力显微镜 AFM 原子力显微镜 AFM 是一种检测表面结构的方法 根据AFM图象的横截面可以得到孔径及孔隙率 这种方法的优点是试样无需预处理 且可在大气条件下进行测量 其缺点在于 如表面粗糙会使检测结果很难分析 此外 作用力较大时有可能损坏聚合物的结构 原子力显微镜是用来表征膜表面的一种新方法 直径小于10nm的非常尖的探针以恒定的力扫过被测表面时 样品表面和微型力敏感元件之间极微弱的原子会发生相互作用力 通过检测这些力就可得到样品表面的扫描结果 运用微悬臂 可以实现在很小相互作用力下的检测 利用传感器检测这些变化 就可获得作用力分布信息 从而以纳米级分辨率获得表面结构信息 泡压法 泡压法是测定微孔滤膜最大孔径和平均孔径法方法 这种方法的原理是测定气体通过充满液体的膜所需要的压力 膜的上面与液体 如水 接触 并且所有膜孔内都充满液体 使膜润湿 过滤器底部与空气相连 当氮气压力逐渐增大到一定量时 气泡会通过膜 当膜面出现第一个气泡时所对应的压力 就是膜最大孔径的压力 膜上气泡出现最多是所对应的压力为膜的最小孔径压力 压力与孔半径之间的关系由Laplace方程确定 泡压法原理 r为毛细管孔半径 m 为液体 空气界面的表面张力 N m 滤速法 假设存在毛细管孔利用Hagen Poiseuille方程通过测量在一定压力下通过膜的通量可得到孔径 通过改变压力即将泡点法和渗透法相结合 可以测定孔径分布 Q 透过膜的液体流量 n 孔密度 r 孔半径 S 有效膜面积 p 应用压力 t 液体透过膜量所用的时间 渗透液粘度 d 毛细孔长度 即膜的厚度 通过上式计算出膜的水渗透率即膜的水通量 带入膜的孔隙率膜的孔半径 滤速法的装置和泡压法相反 将膜置于测试池中 逐渐升压使液体 一般是水 通过被测的膜 在排出所有气泡后 使压力升至一定值 在规定时间内收集透过膜的液体量 滤速法是在膜上面加压 而泡压法是在膜下面加压 只要测量膜的厚度 就可以通过透过膜的液体量和孔隙率 根据上式计算出膜的孔半径 压汞法 压汞法是把汞注入干膜中 并在不同压力下测定汞的体积 压力和孔径的关系仍满足Laplace方程 由于汞不同润湿膜 接触角大于90度 汞与聚合物材料的接触角一般为141 3度 汞 空气界面的表面张力为0 48N m 因此Laplace变为 在一定压力下汞渗入膜微孔中 汞位的变化反应了样品膜中汞体积的变化 它通过铂电极电阻的变化来表示 由各压力下汞进入膜样品的累积体积 可得孔径 孔百分比的累积曲线 微分后得到孔径分布曲线 压汞法膜孔径积分和微分曲线 干湿膜空气滤速法 当空气通过干膜时 渗透流率随压力增加呈线性关系 而通过湿膜时 在泡点压力处仅最大孔径有气体通过 当压力再逐渐增加时 才能使越来越多的孔打开通道让气体从中通过 流速 压力关系如图所示 平均孔径所对应的压力是指通过湿膜的渗透流率仅为干膜的一半时所用的压力 将湿膜的曲线微分就可得到孔径分布曲线 气体流速 气体压力关系图 溶质截留率测定法 超滤膜的分离效率通常用截留率来表示 是指对一定相对分子质量的物质截留的程度 其公式如下 其中 R为膜的截留率 cf为进液浓度即原液浓度 cp为透过膜液的浓度即产液的浓度 通常把能截留90 某种物质的相对分子量作为该膜的截留范围 称为截留相对分子量 超滤膜的孔径范围从0 001 0 02 m 截留相对分子质量一般从1000到100000左右 脱盐率 实际应用中反渗透中用以表示膜的分离性能的最常的指标是脱盐率 表明膜能脱除水溶液中盐的百分数 一般用R Rejection 表示 有两种表示方法R0 1 C3 C1 100 Rr 1 C3 C2 100 Rr 膜的真实脱盐率R0 膜的表观脱盐率C1 膜高压侧水溶液中溶质的本体浓度 g cm3由于在反渗透过程中存在着浓差极化现象 所以 C2 C1 R0 Rr 在实验中一般难以测得膜高压侧界面上的浓度 所以实际应用中都以R0计算 水通量 反渗透膜的水通量也称透水速率或水渗透流率 单位时间内通过单位膜面积的水体积流量 它表示反渗透膜的透量大小 表达式为 Fw A p A 膜的纯水渗透系数 表示膜中水的渗透能力 cm3 cm2s MPa p 膜两侧的压力差 MPa 膜两侧的渗透压差 MPa特别地 超滤膜的水通量 其表示方法与反渗透膜纳滤膜相同 鉴于浓差极化对膜的透水速率影响极大 故超滤膜的水通量常用纯水透过速率来表示膜水通量的大小 膜的压密性 反渗透一般在较高压力下运行 高分子膜长期处在压力下 膜结构会发生被压密的现象 压密现象进而导致膜的水通量变小 可用流量衰减系数 压密斜率 表示 Ft Fi tm其中Fi和Ft分别表示运行t小时和初始 1或2h 的水通量 将上式取对数 lgFt Fi mlgt并以lg Ft Fi mlg t 作图 可得一条直线 其斜率即为压密斜率m 膜的荷电性 交换容量 C 膜的交换容量是膜中离子基团含量多少的量度 用每克干膜可交换离子的物质的量来表示 mmol g 用酸 碱回滴法测定 一般离子交换膜的交换容量约为1 3mmol g 膜电阻 Rm 是膜传递离子能力的量度 用于海