高分子分离膜PPT演示课件

高分子膜分离材料polymerseparationmembranes,1,传统的分离物质的技术，不论筛分、沉淀、过滤、蒸馏、结晶、吸附和离子交换等，都需要消耗大量的能量，而且分离的结果往往不满意。近代的高分子分离膜不仅以它的孔径大小不同而分离大小不同粒子，更由于它们某些特有的功能而能有效地进行分离。高分子分离膜，是一种高分子薄层物。膜有固态，也有液态。,2,膜生物反应器（MembraneBioreactor简称MBR)是一种新型的污水处理技术，是传统的污水生物处理技术与膜分离技术相结合的产物。MBR系统是将中空纤维膜元件直接放入曝气池中进行泥水分离，利用膜的选择透过性实现曝气池中的生物富集，使得生物处理效率大幅度提高，同时生物处理后的污水经膜分离后得到洁净的回用水。MBR技术是污水处理及污水资源化的一项新的重要技术。,3,氮气经过特殊处理（瓶装氮气不经过特殊处理、有异味、含水多）无杂质，无异味，气源极其干澡，基本达到无水低氧状态设备一次性投入小操作方便，运行费用低，见效快，食品保质保鲜时间可大大延长。,4,第一节概述一、膜分离技术发展简史(1),1748年，Nelkt发现水能自发地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。人们发现动植物体的细胞膜是一种理想的半透膜，即对不同质点的通过具有选择性，生物体正是通过它进行新陈代谢的生命过程。,5,19世纪，人们对溶剂的渗透现象已有了明确认识，发现了天然橡胶对某些气体的不同渗透率，并提出利用多孔膜分离气体混合物的思路。1855年，Fi用陶瓷管浸入硝酸纤维素乙醚溶液中制备了囊袋型“超滤”半渗透膜，用以透析生物学流体溶液。,一、膜分离技术发展简史(2),6,1855年FICK制备了囊袋型“超滤”半透膜,7,直到1950年，WJuda首次发表了合成高分子离子交换膜，膜现象的研究才由生物膜转入到工业应用领域，合成了各种类型的高分子离子交换膜。,一、膜分离技术发展简史(3),8,1931年，Elford报道发展了一个新的适于微生物应用的火棉胶滤膜系列，并用它来分离和富集微生物和极细粒子。40年代出现了基于渗析原理的人工肾。50年代初期，Juda研制成功离子交换膜，电渗析获得了工业应用。,一、膜分离技术发展简史(4),9,固态膜经历了:50年代的阴阳离子交换膜;60年代初的一二价阳离子交换膜;60年代末的中空纤维膜;70年代的无机陶瓷膜等四个发展阶段.,一、膜分离技术发展简史(5),10,具有分离选择性的人造液膜是Martin在60年代初研究反渗透脱盐时发现的，他把百分之几的聚乙烯甲醚加入盐水进料中，结果在醋酸纤维膜和盐溶液之间的表面上形成了一张液膜。由于这张液膜的存在而使盐的渗透量稍有降低，但选择透过性却明显增大。此液膜是覆盖在固膜之上的，因此称之为支撑液膜。,一、膜分离技术发展简史(6),11,60年代中期，美籍华人黎念之博士在测定表面张力时观察到到皂草甙表面活性剂的水溶液和油作实验时能形成很强的能够挂住的界面膜，从而发现了不带固膜支撑的新型液膜,并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。这种新型液膜可以制成乳状液，膜很薄且面积大，因此处理能力比固膜和支撑性液膜大得多，这一重大技术发现奠定了液膜技术发展的基础。,一、膜分离技术发展简史(7),12,黎念之教授是膜科学的主要奠基人之一，是美国国家工程院、中国科学院和台湾中央研究院院士。由于他在膜科学、表面化学、化学工程等领域做出了杰出贡献，荣获2000年度珀金奖。现任芝加哥恩理化学技术公司董事长兼总裁。,13,他发明的液体膜技术已形成为一项重要的高技术，在太空技术、化工、石油工业、环境保护、资源再生利用、医药及生命科学等领域已获广泛应用。他提出的高压下气体渗透高分子膜的理论对研究高分子膜的渗透机理具有重大意义。他在膜科学技术领域的杰出贡献对化学工程学科及相关学科领域的发展具有深远影响。美国政府曾经特聘他担任阿波罗登月计划中在膜应用方面的科学顾问。此外，他在表面化学、化工分离与催化剂研究方面也有卓越贡献。,14,我国50年代开始研究电渗析，66年开始研究反渗透，80年代以来对各种新型膜分离过程和制膜技术展开了全面研究与开发，目前已有多种反渗透、超滤、微滤和电渗析膜与膜组件的定型产品，在各个工业、科研、医药部门广为应用。,一、膜分离技术发展简史(8),15,回顾,30年代-微孔过滤（microfiltration）40年代-透析（dialysis）；50年代-电渗析（electrodialysis）；60年代-反渗透（或称高滤reverseosmosis，hyperfiltration）；70年代-超滤（ultrafiltration）和液膜（liquidmembrane）；80年代-气体分离（gasseparation）；90年代-渗透汽化或称渗透蒸发（Pervaporation）。,16,第一节概述二、膜的概念、分类和特点(1),概念-如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体相分隔开来成为两部分，这一凝聚相物质就是膜。凝聚相物质固态液态被膜隔开的流体相物质液态气态是完全透过性的膜可以是半透过性的不应是完全不透过性,17,膜分离过程的主要特点是以具有选择透过性的膜作为组分分离的手段实现混合物的组分分离。膜分离过程的推动力浓度差压力差分压差电位差,二、膜的概念、分类和特点(2),18,特点：高效的分离过程低能耗接近室温的工作温度品质稳定性好连续化操作灵活性强纯物理过程环保,二、膜的概念、分类和特点(3),19,优点：孔径分布窄、分离效率高，过滤效果稳定。化学稳定性好，耐酸、碱、有机溶剂。耐高温，可用蒸气反冲再生和高温消毒灭菌。抗微生物污染能力强，适宜在生物医药领域应用。机械强度大，可高压反冲洗，再生能力强。无溶出物产生，不会产生二次污染，不会对分离物料产生负面影响。分离过程简单，能耗低，操作运转简便。膜使用寿命长。,20,膜的分类固体膜和液体膜;天然膜和合成膜;固体膜可分为致密膜和多孔膜，多孔膜又分为微孔膜和大孔膜;对称膜、不对称膜和复合膜。根据膜的功能，分为离子交换膜、渗析膜、超滤膜、反渗透膜、渗透蒸发膜和气体渗透膜等。根据固体膜的形状，分为平板膜、管式膜、中空纤维膜，以及核径迹蚀刻膜，简称核孔膜。,二、膜的概念、分类和特点(4),21,第二节、微滤一、微滤及微孔滤膜(1)microfiltration，简写作MF,过滤是一种分离气体或液体中悬浮的或溶解的离子的技术，过滤由一定的过滤介质和相应的辅助设备来完成。悬浮或溶解在液体中的各种微细离于直径范围如下；粗粒20.1毫米大分子500l0毫微米细粒10010微米无机粒子101.0毫微米微粒10-0.5微米,22,微孔滤膜是由高分子材料制成的孔结构高度均匀的多孔薄膜,常见的有通孔型、海绵型、非对称型三种结构类型。,一、微滤及微孔滤膜(2),23,微孔滤膜过滤的特点如下：微孔滤膜的孔径十分均匀;微孔滤膜的空隙率高达80左右;滤膜为均一连续的高分子材料；大于孔径的微粒不会因压力高而穿过滤膜;滤层薄，质量小，对滤液或滤液中有效成分的吸附量小，因而可减少贵重物料的损失。,一、微滤及微孔滤膜(3),24,二、微孔滤膜的材质及制备方法(1),徽孔滤膜的品种很多，主要有纤维素酯类、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚碳酸酯等。纤维素酯徽孔滤膜是最常用的一类滤膜，规格多、成本低、亲水性好。再生纤维素微孔滤膜专用于非水溶液的澄清或过滤，耐各种有机溶剂，不能用来过滤水溶液。聚四氟乙烯微孔滤膜为强憎水性膜，耐高温，化学稳定性好，可耐强酸、强碱及各种溶剂，可用于过滤蒸汽及各种有机溶剂和强酸、强碱以及腐蚀性液体，使用面广。,25,二、微孔滤膜的材质及制备方法(2),微孔滤膜的制备方法有很多种，常用的有：自然蒸发凝冻法,薄层中的溶剂缓慢蒸发而成膜；溶出法,在制膜的高分子基材中混入某些可互溶的材料，成膜后用水或其他溶剂将这些物质溶出，而形成多孔膜；拉伸法,这类滤膜主要由聚烯烃制成，将聚烯烃在熔融温度下挤出成膜，延伸、退火，然后进行纵向拉伸，使其层状结构变形而成为相互交织的缝状孔隙；核径迹法。由放射性同位素裂变而产生的碎片在撞击和穿透某些固体物质时，在一定条件下能形成细小的径迹。,26,三、微滤的应用,微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。微滤可以分离溶液中大于0.05m左右的微细粒子，它的应用范围很广。,27,1气体、溶剂及水的净化过滤；2食糖与酒类的精制；3药物中除菌和细菌的尸体，热敏性药物，如胰岛素、ATP、血白等均不能热灭菌，细菌截留。4生物和微生物检测、化验和诊断生物化学和微生物的研究中，可用不同孔径的微孔滤膜收集细菌、酶、蛋白等以供和分析，还可用于药品、饮料的无菌检验等等。,三、微滤的应用,28,第三节超滤一、超滤及超滤膜(1)ultrafiltration，简写作UF,超过滤，是以压力差为推动力的膜分离过程，分离截留的机理为筛分小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，大于孔径的微粒被截留。膜上微孔的尺寸状决定膜的分离性质。,29,不对称膜,中空纤维膜,表面活性层,大孔支撑层,外膜直径小,内膜承受一定的压差,30,31,32,一、超滤及超滤膜(2),超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等；超滤膜的工作条件取决于膜的材质。,33,超滤过程中，在水透过膜的同时，大分于溶质被截留，而在膜的表面积聚，形成被截留的大分子溶质的浓度边界层，这就是超滤过程中的浓差极化。由于浓差极化，膜表面处溶质的浓度高，可以导致溶质截留串的下降和水的渗透压的增高，使超滤过程的有效压差减小，渗透通量降低。,一、超滤及超滤膜(3),34,二、超滤的应用,超滤主要用于溶液中分子量500-500000的高分子物质与溶剂或含小分子物质的溶液的分离。纯水的制备；处理汽车、家具等电涂淋洗水；纺织工业含聚乙烯醇废水的处理；食品工业中的废水处理；,35,果汁、酒等饮料的消毒与澄清，应用超滤可使果汁保持原有的色、香、味，产品清澈，而且操作方便，费用低。在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从动、植物中提取药物等。造纸工厂废水处理。,二、超滤的应用,36,具体应用1例:丹麦Madsen试验将甜菜渗出汁加少量石灰中和并过滤除去不溶物后，用截留分子量为20000的聚砜超滤膜GR61在6080和0.40.6MPa下过滤，滤汁纯度91.594.5%，色值10002500IU，脱色率95%。透过流率为45L/m2.h。另用GR61P超滤膜处理糖浆，80，0.42MPa，糖浆为65Bx，过滤流率为9L/m2.h，可除去色素3050%，糖浆纯度提高11.5%。超滤膜的截留分子量较小者，脱色效果较高。,37,第四节反渗透一、反渗透原理(1)reverseosmosis，简写作RO,反渗透分离技术已在许多领域得到广泛应用，反渗透对水的提纯与净化有十分重要的价值，对海水和苦咸水的脱盐淡化、锅炉水处理、超纯水制备、废水处理等，反渗透法有其他方法不可替代的优势。用一种只能透过水而不能透过溶质的半透膜隔开，淡水会自然地透过半透膜渗透至盐水(或从低浓度溶液渗透至高浓度)一侧，这一现象称渗透。,38,一、反渗透原理(2),39,二、反渗透膜(1),40,二、反渗透膜(2),聚苯并咪唑膜适用于在较高温度下的反渗透作业，透水性随着温度的上升而提高。动力膜是在过滤钍盐的水溶液时发现的，微孔滤器表面就沉积一层钍盐的氧化物，这层氧化物就是一种透水性能优异的反渗透膜。磺化聚苯醚反渗透膜的耐氯性好，玻璃中空纤维膜的强度高，耐压实性好。，聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯接枝聚合物等都是制备反渗透膜的优质材料。,反渗透膜材料,41,三、反渗透膜的透过机理,氢键理论选择吸附毛细管流动机理溶解扩散理论,反渗透膜的分离机理,42,氢键理论认为反渗透膜材料如醋酸纤维素是一种具有高度有序矩阵结构的聚合物，它具有与水或醇等溶剂形成氢键的能力，盐水中的水分子能与醋酸纤维素半透膜上的羰基形成氢键，在反渗透压的推动下，以氢键结合的进入醋酸纤维素膜的水分子能够由一个氢键位置断裂而转移到另一个位置形成氢键。这些水分于通过一连串的不断移位，直至离开表皮层而进人多孔支撑后，源源不断地流出淡水。,三、反渗透膜的透过机理,43,三、反渗透膜的透过机理,优先吸附毛细管流动理论，当水溶液与亲水的膜接触时，在膜表面的水被吸附，溶质被排斥，因而在膜表面形成一层纯水层，这层水在外加压力的作用下进入膜表面的毛细孔，并通过毛细孔流出。,44,四、反渗透的应用,反渗透过程是从溶液(主要是水溶液)中分离出溶剂，不耗用化学药品，这些基本特征决定了它的应用范围。(1)以渗透液为产品，制取各种品质的水，如海水淡化、高纯水的制备。,45,(2)以浓缩液为产品，在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡。反渗透法脱水浓缩比较经济，而且产品的香味和营养不受影响。(3)渗透液和浓缩液都作为产品，处理印染、食品、造纸等工业的污水，使渗透液返回、循环使用，浓缩液用于回收或利用其中的有用物质。,四、反渗透的应用,46,汽水，可乐等含汽饮料自动冲洗、灌状、封口生产流水线,12吨/小时两级反渗透设备主机,47,纯净水机组,48,49,50,新型高分子产品,51,五、反渗透膜与超滤、微滤的比较,微滤(MP)、超滤(UF)和反渗透(R)都是以压差为推动力使溶剂(水)通过膜的分离过程，它们组成了可以分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程，它们所能分离的物质如下图。应该指出反渗透、微滤和超滤的相互间的分界不很严格、明确，相互重叠。它们之间的界线在不同文献中有所不同。,52,反渗透适用于除去水溶液中的离子及分子量为几百的小分子溶质；超滤主要用于截留各种蛋白质；微孔过滤用于除菌。,53,五、反渗透膜与超滤、微滤的比较,54,纳滤膜,纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技术,该膜曾被称为“低压反渗透膜”、超渗透膜或疏松反渗透膜.,55,无锡市凡宇水处理机械制造有限公司专门为了高度脱除水中总有机碳（TOC）类有毒有害杂质开发纳滤膜，它具有中到高程度的透盐率和中等程度钙的透过率（4060），是脱除地表水和地下水中的有机物并进行部分软化的理想膜元件，满足维持口感和输送管网所需的最低硬度。纳滤膜（NF）可在很低的操作压力下有效地脱除有毒有害物质，又能有效地保留部分营养离子。,56,NF/RO就是将纳滤与反渗透的性能优势结合起来，在需要保留部分离子的行业得到完美的运用。,中空纤维超滤装置,57,杭州凯宏膜技术有限公司提供纳滤膜设备30个工作日完成2000LD染料母液处理项目。由公司承担设计及项目总包的“某染料生产企业染料除盐浓缩项目”已经于2005年6月底完成安装调试，验收合格后交给用户使用。该项目处理染料母液2000LD，设计渗透液滤速3000LH。采用美国OSMONICS的卷式纳滤膜作为脱盐膜元件。整个项目从设计、安装、调试仅用30个工作日。,58,目前国内外膜工业发展现状,目前，全球正在运转和建设中的采用膜技术的饮用水处理厂规模日达411万吨，其中以运转的日处理量超过1万吨的采用膜技术处理的饮用水处理厂，美国有42个，欧洲有33个，大洋州有6个，规模最大的在法国，日处理能力为14万吨。英国近期即将投产的一个采用膜技术的水处理厂规模将达每天16万吨。日本正考虑在横滨建设一个规模达每天20万吨的饮用水处理厂。,59,我国的膜环境工程市场已经开始启动，20012002年，已建成1万4万吨/天的工业及市政污水深度处理回用工程5项，包括天津泰达工业开发区污水回用工程、天津纪庄子污水回用工程、太原钢铁公司污水回用工程、包头钢铁公司污水回用工程、宝钢污水回用工程。已经建成的膜生物反应器有130多座，规模在501000吨/天。重庆还建成了一座垃圾渗沥液膜法处理装置，厦门也在建设类似项目。今后510年期间，将是我国膜技术环保工程的大发展时期。,60,我国膜生产企业的大致情况,我国的膜生产企业可以分为三类：第一类是以膜工程为主的企业，数量在一千家左右，是比重最大的，主要包括水质处理、水质净化、生物制品、制药、浓缩等；第二类是制膜的企业，国内大概有100多家，生产各类膜材料，主要以中空纤维超滤膜为代表，其次还有反渗透膜、微滤膜、纳滤膜、无机陶瓷膜、渗透气化膜等；第三类是科研型企业，主要从事开发性工作，研究将新的材料应用到新的产业里。,61,2004年全国膜生产的整体规模大概有80亿人民币左右，以水处理工程为最多，其次是一些特种的分离，再就是膜的制作、及膜过程。未来膜的主要市场在环保，最大的是在给排水、污水回用、海水淡化、市政污水处理等方面。,我国膜生产企业的大致情况,62,在膜材料制作方面我国已经建立、发展起来一批大的企业，主要有以中空纤维膜为强项的天津膜天膜工程技术有限公司，还有天津方圆、创新芳苑、海口立升等；玻璃钢外壳方面有汉力普、贵州的汇通源泉、杭州水处理中心以及像95高科的无机膜、天威的离子交换膜都很不错，但是与海德能这样的企业还是有一定的距离。,我国膜生产企业的大致情况,63,海德能（HYDRANAUTICS）反渗透膜,64,美国海德能公司（HYDRANAUTICS）创立于1963年，总部位于美国加利福尼亚州OCEANSIDE市。1987年并入日本日东电工集团，日本电工（NITTODENKO）株式会社是一家专业生产各种高分子材料的跨国公司，在世界各地设有105家子公司。,65,其产品在世界范围内已广泛应用，总计产水量超过70000吨/小时，目前已成为在世界上分离膜制造业中最著名、产品规格及品种最多、生产规模最大的卷式反渗透膜生产厂商之一，也是美国最早通过ISO-9001国际认证的反渗透膜生产商。海德能公司在美国、日本、意大利3个制造工厂，可以最迅捷的方式向客户提供种类繁多、同样品牌、同样质量的分离膜产品。在美国和日本设有的两个研发中心夜以继日地研究新理论、开发新技术、源源不断地向世界推出新产品。,66,目前，我国的膜材料生产保持着每年25%以上的增长率，2005年可能还会超过30%。我国的膜材料80%以上需要进口。,我国膜生产企业的大致情况,67,未来我国膜工业的发展前景,膜行业是有前景的朝阳产业，目前依然为数不多。以前都是用传统的方法，如生化、机械过滤、离心分离、蒸馏等方法，这些方法现在有的能取代有的则不能，但相比来说膜的耗能是最低的，技术的特点决定了它的发展速度很快。,68,在我国的可持续发展战略里能源的发展是核心、关键也是瓶颈，水就是最基本的能源。可持续发展与水密不可分，解决好水的问题是发展经济的根本核心。未来我国的发展战略里已经把采用膜技术进行水处理、水的回用、再生水、节水列为核心技术。,未来我国膜工业的发展前景,69,膜技术在中国市场的表现也是非常卓越的，典型就是日处理72000吨废水的太原钢铁厂工程。以这个工程为代表的污水回用给我们国家膜技术在环保方面的应用特别是制定21世纪的发展纲要都具有参考价值，要考虑到膜技术，将其设在十分突出的位置上。这几年膜工业协会也是在寻求国家在发展战略、产业方向、整体规划、资金配套、科研、政策等方面的支持。,未来我国膜工业的发展前景,70,第五节离子交换膜一、离子交换膜的发展历史（1）,离于交换膜与细胞膜的生物化学和电化学都有关系。离子交换的主体，具有离于交换树脂不具备的特殊的功能。1925年，Michaelis开始研究火棉胶膜，并尝试解释了在膜中电荷的影响下膜的细孔对离子的筛分选择透过效应。这项关于火棉胶的研究是合成离子交换膜历史的起点。,71,一、离子交换膜的发展历史（2）,1960年，第一家利用离子交换膜制盐的工厂开始运行。到1973年，在日本离子交换膜制盐法已完全代替了传统的盐田法。盐田法劳动强度大，经常受天气的影响，多年来一直没有重要的改进。1971年DuPont公司的Naion含氟离子交换膜出现后得以解决。Naion膜具有电解氯碱工业所必需的热稳定性和化学稳定性。1974年Seko发明了全氟羧酸离子交换膜。,72,二、离子交换膜的类型和制备方法（1）,1一般分类阴离子交换膜阳离子交换膜双极离子交换膜半均相膜根据化学结构分成均相膜,离子交换膜,73,二、离子交换膜的类型和制备方法（2）,（1）半均相膜由可以溶于同一溶剂中带有离子交换功能基团的聚合物和粘合剂的混合物制备。(2)均相膜大部分实用的离子交换膜是均相膜，由烃类聚合物或氟代烃聚合物组成。,74,聚合；交联(三维)；膜的制备；增强材料的选择；引入离子交换功能基团。,聚合物膜制备五个基本步骤,75,二、离子交换膜的类型和制备方法（3）,特种功能的离子交换膜离子交换膜三种最重要的功能是对一价离子渗析选择性的海水浓缩、双极膜制酸或碱和镶嵌膜用于高压渗析。,76,双极膜还可以将含有聚乙烯粘合剂的膜通过热粘合的方法制备，也可以在聚苯乙烯膜的一面磺化形成阳离子交换基团，在另一面胺化形成阴离子交换基团制备双极膜。镶嵌膜是在阴阳离子交替排列的微区中插入电中性区域形成的。制备镶嵌膜的主要方法是浇铸、沉积、光照或直接自由基接枝和嵌段共聚。,77,三、离子交换膜的应用和原理（1）,（1）电渗析盐一般溶解在水溶液中形成阴离子和阳离子，在两个电极间电场的存在下，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极，这样就形成电流。在两个电极间插入一张阳膜或一张阴膜将导致阳离子或阴离于通过膜时的选择性迁移。在电渗析时，一组交替排列的阳离于和阴离于交换膜固定在两个电极中间，用来分离和浓缩盐离子。电渗析器既可以用来脱盐也可以进行盐的浓缩。,78,三、离子交换膜的应用和原理（2）,79,三、离子交换膜的应用和原理（3）,(2)电解合成酸和碱可以通过中性盐和双极膜和非双极膜生产。(3)电渗析反渗透通过电渗析反渗透可以从疑胶中除去过量的水，在这方面，离子通过的膜渗析性远远大于水的渗透性。一个高含水量的凝胶，在外加电压的作用下，离子向膜的方向移动，同时带着大量的水。离子连续通过膜，水被膜的精细结构阻止，在重力的影响下，沿着膜的表面下降。这个过程被用来从食品凝胶和纤维素浆中脱水。,80,三、离子交换膜的应用和原理（4）,(4)渗透蒸发在离子交换膜的两侧加一压力差，通过蒸发可以除去有机溶剂和海水中的水。供料液在膜的一侧，在膜的另一侧的压力低。在低压下水以蒸汽状态快速地选择性地透过膜，然后冷凝从体系中除去。(5)氨基酸的电渗析分离从含有氨基酸溶液分离盐的电渗析过程中，pH值特别重要，因为它影响氨基酸的解离，包括形成氨基和羧基。,81,三、离子交换膜的应用和原理（5）,82,三、离子交换膜的应用和原理（6）,（6）燃料电池个重要的特性是其可逆性。可有效保证燃料电池放电、充电反复工作。这使得其在宇宙飞船上的应用有特别的意义。,83,燃料电池的第一次应用是在Gemini工程。在Gemini5上8天时间里提供了100kWh，在Gmini7上提供了约200kWh的电力。为了提高其性能和降低成本，从那时开始对燃料电池已进行了许多改进。由于与燃烧发电相联系的污染、噪音方面得到消除，连续进行改进，可以预期，燃料电池将有广泛的应用。,84,第六节渗透蒸发膜,渗透蒸发(Pervaporation，简称PV)是近十多年来颇为人注目的一项膜分离技术。在传统分离手段难以处理的共沸物、近沸点物系的分离及微量水的脱除等领域中显示出独特的优势。其一次分离度高、实施简单无污染、低能耗，尤其是与精馏、萃取、吸收、结晶等传统分离手段相联合，显示出强大的生命力。,85,1917年，Kober观察到了水透过火棉胶的类似现象，并称之为“渗透蒸发”，首次提出了这个概念。20世纪50年代，第一次对渗透蒸发过程进行了定量研究。50年代末期，人们认识到了该过程的潜在的开发价值。,86,70年代德国GT取得了重要的突破，率先推出了商业化聚乙烯醇复合膜。1982年在巴西建立了世界上第一座乙醇-水分离的小型示范厂，这标志着渗透蒸发开始进入工业化阶段。目前，除乙醇-水的分离外，其他体系大多处于实验室开发阶段。,87,一、渗透蒸发过程,上侧为贮放待分离混合物的液相室下侧是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室,由高分子膜将装置分为两个室,渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物。,88,一、渗透蒸发过程（2）,89,通过高分子膜渗透到下侧的组分，由于蒸气分压小于其饱和蒸气压而在膜表面汽化，随后进入冷凝系统，用液氮将蒸气冷凝下来即得渗透产物，过程的推动力是膜内渗透组分的浓度梯度。,90,二、渗透蒸发膜（1）,渗透蒸发是整个PV过程的关键部分，所以目前国内外的研究大部分都集中于PV膜的开发上。膜性能是由膜的物理化学结构决定。,化学结构指膜的高分子链的种类与空间构型；物理结构指膜的，孔度、孔的分布、形状、以及结晶度、交联度、分子链的取向等，这决定于膜的制备过程。,结构,91,膜的选择性；膜的渗透通量；膜的机械强度；膜的稳定性(包括耐热性、耐溶剂性及性能维持性等)。,衡量一张膜的实用性的四个指标,92,二、渗透蒸发膜（2）,基于溶解扩散理论。只有对需要分离的组分有亲和性的高分子物质才可能作为膜材料。膜的制备过程与上述四个指标关系很大，铸膜液浓度，所用溶剂，成膜环境，脱溶剂的方法、步骤、条件都可能对最终的膜性能产生影响。,膜材料的选择,制备,93,分类,对称膜(或称均质膜)非对称膜复合膜,制备工艺的不同分类,94,二、渗透蒸发膜（3）,天然高分子膜有醋酸纤维素、羧甲基纤维素(CMC)；胶原、壳聚糖等。机械强度较差，只能分离低浓度的水溶液。合成高分子膜像聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等非极性膜材料大多被用于分离烃类有机物。,膜材料大体上分为两类,95,三、渗透蒸发的应用,用亲水膜或荷电膜对醇类或其他有机溶剂进行脱水；利用憎水膜去除水中的少量有机物；可以用于制药行业中的溶剂回收；是用于有机合成。使反应转化率提高；渗透蒸发作为一种无污染、能效高的膜分离过程已经引起了广泛的兴趣，具有广泛应用前景。,96,第七节气体分离膜,用高分子膜分离气体混合物超薄分离层技术(0.1微米)中空纤维技术（5000）70年代中期首先实现了合成氨尾气中氢气分离的工业应用。,关键工艺,97,近年来多种膜材料，并得到应用。现主要用于、等气体的分离，氦气的富集；与环保有关的含、等酸性气体的分离，则是当前重点研究的课题。,98,气体透过率P扩散系数D溶解系数,化学结构与透气性的一些定性的规律,一、化学结构与透气性的关系（1）,不同结构材料,99,一、化学结构与透气性的关系（2）,100,二、形态结构与透气性能的关系,无定形区晶区则是不透气的,气体透过高聚物膜,101,把透气性高而选择性差的材料与透气性低而选择性高的材料通过嵌段共聚、接枝共聚或共混得到兼有两者之长的材料。对聚二甲基硅氧烷的改性既是一个典型的例子。以聚二甲基硅氧烷为软段，以聚砜、聚碳酸酯、聚羟基苯乙烯为硬段的嵌段共聚物，而在透气性方面没有突破。,102,三、小分子填加剂对透气性的影响,在高分子膜中添加增塑剂的一般规律是透过率上升而选择性下降，由于增塑剂易流失，影响寿命，因而实际应用困难。所添加的高沸点液体对某些气体有较大的溶解度，则可增加分离的选择性。加入固体超细粉末几乎不影响透气速度，因此添加各种有机、无机超细粉末、变价金属或其离子，通过增加对某种气体的溶解度而提高其选择性。,103,四、气体分离膜材料的应用,1氢气和氦气的分离富集美国Moato公司于1979年首创出中空纤维复合膜气体分离系统，从而成为世界上第一个大规模生产商品化的气体膜分离公司，该产品主要用于氢气的分离，由于其经济效益显著，目前已在各国推广应用。其中聚酰亚胺是一种近年来新开发的高效氢气分离膜材料聚酰亚胺是一种抗化学性、耐高温、机械性能优异、成膜性好的高分子材料。,104,最近又新开发了一种新的有梯度致密表皮的非对称中空纤维膜，主要是控制了制膜过程中溶胶至凝胶转变的动力学过程，从而形成一种分离厚度和致密梯度均可控的非对称中空纤维膜。据报道其制膜处理仍为聚砜，当涂层按照Henis工艺形成时，这种膜在不牺牲选择性的条件下，气体的渗透率有较大的提高。这种梯度致密表皮型膜比Henis型膜好的多，这和采用了修饰剂2-乙基-甲基咪唑等进行了改性有密切关系。,105,富氧空气的主要应用在医用和工业燃烧等两个方面，其用途的不同，对高分子膜的性能要求也有所差异，富氧膜的材质主要有下述几个方面。(1)聚二甲基硅氧烷(PDMS)的改性使支链上含有羧基的聚2羧乙基二甲基硅氧烷(PCMS)同PDMS按4：1-1：1熔融共混所得的膜其氧氮分离的选择性将提高值。(2)含有三甲硅烷基的高分子富氧膜，扩散系数较大，而且使大露气体溶解到膜中，这两个因素决定了气体的含量值非常高。,106,第八节液膜分离一、液膜的结构和分类(1),液膜分离技术应用在冶金、医药、环保、原子能、石油化工、仿生化学等各个研究领域。,107,液膜,它能把两个互溶的、组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性渗透作用实现分离。,油型膜,水型,水型,油型,油型,水型膜,水溶液有机溶液,108,一、液膜的结构和分类(2),1液膜主要组分(1)膜溶剂它是成膜的基体物质。选择膜溶剂主要考虑膜的稳定性和对溶剂的相溶性。对欲提取的溶质能优先溶解，对其他欲除去的溶质则溶解度愈小愈好，以利膜液与料液的分离。(2)表面活性剂能显著地改变液体表面张力或相互间界面张力，直接影响膜的稳定性、渗透速度和膜的复用。(3)流动载体它的作用使指定的溶质或离子进行选择性迁移，实际上它常常是某种萃取剂。,109,第八节液膜分离一、液膜的结构和分类(3),(4)膜增强添加剂其作用使腆具有合适的稳定性，即要求液膜在分离操作过程中不过早破裂