新型高分子材料第六章——高分子分离膜

1、化学与环境学院材料科学研究所化学与环境学院材料科学研究所王玉海王玉海第六章第六章 高分子分离膜高分子分离膜内容内容6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 膜分离过程膜分离过程6.2 6.2 膜分离技术的应用膜分离技术的应用6.2 6.2 高分子功能膜的分类高分子功能膜的分类6.2 6.2 膜材料及膜的制备膜材料及膜的制备6.2 6.2 典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术及应用领域常见的分离方法常见的分离方法筛分筛分过滤过滤萃取萃取离心离心蒸馏蒸馏重结晶重结晶柱层析柱层析膜分离膜分离色谱分离色谱分离离子交换离子交换对于高层次的分离，如对于高层次的分离，如分子尺寸的分离分子尺寸的分离、生物

2、生物体组分的分离体组分的分离等，采用等，采用常规的分离方法是难以常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源或需要损耗极大的能源而无实用价值。而无实用价值。6.1 6.1 概述概述6.1 6.1 概述概述功能膜的概念功能膜的概念功能膜是指具有选择性传递物质的一类高分子薄膜材料。功能膜是指具有选择性传递物质的一类高分子薄膜材料。可用于物质的分离、浓缩、精制等，既省能又无污染。可用于物质的分离、浓缩、精制等，既省能又无污染。膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。流

3、体物质可以是液态的，也可以是气态的。膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行传递。分离膜对流体可以是完全透过性侧流体接触并进行传递。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。 指一类可以让小分子物质透指一类可以让小分子物质透过而大分子物质不能通过的薄膜过而大分子物质不能通过的薄膜的总称。的总称。 例如：例如：细胞膜、膀胱膜、肠衣等细胞膜、膀胱膜、肠衣等 澄清果蔬汁加工工艺澄清果蔬汁加工工艺超滤超滤1 1）过滤分离）过滤分离 利用组分分子的大小

4、和性质差别所表现出透过膜利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有有 超滤超滤（Ultrafiltration,UF，孔径，孔径0.11um）、微滤、微滤(Microfiltration,MF,孔径孔径1100nm)、纳滤、纳滤(Nanofiltration,NF，孔径，孔径0.5 5nm)等；等； 在膜的两边造成一个压力差，并使其大于渗透压，就在膜的两边造成一个压力差，并使其大于渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶液进一步浓缩会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶液进一步浓缩 选择吸附，溶解选择吸附，溶

5、解- -扩散机理扩散机理（0.2 nm）Na+0.37nm 料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。 属于渗析式膜分离的有属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析渗析和电渗析等。等。 电渗析（电渗析（electrodialysiselectrodialysis） 在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜，在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜，在电场中形成一个个隔室使溶液中的离子有选择地在电场中形成一个个隔室使溶液中的离子有选择地分离或富集。分离或富集。+阳极阳极阴极阴极Cl-

6、Na阳膜阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阳膜阴膜注意：注意：离子交换膜的作用离子交换膜的作用并不是起离子交换并不是起离子交换的作用，而是的作用，而是起离子起离子选择透过性选择透过性作用。作用。 液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。组合。溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接受液相当于反萃取质再从液膜进入接受液相当于反萃取。 利用微孔或无孔膜进行气体分

7、离，主要是溶解利用微孔或无孔膜进行气体分离，主要是溶解- -扩扩散过程散过程 分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如下表所示。种主要的膜分离过程及其传递机理如下表所示。几种主要分离膜的分离过程几种主要分离膜的分离过程膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型微滤微滤压力差压力差颗粒大小形状颗粒大小形状水、溶剂溶解物

8、水、溶剂溶解物悬浮物颗粒悬浮物颗粒纤维多孔膜纤维多孔膜超滤超滤压力差压力差分子特性大小分子特性大小形状形状水、溶剂小分子水、溶剂小分子胶体和超过截留胶体和超过截留分子量的分子分子量的分子非对称性膜非对称性膜纳滤纳滤压力差压力差离子大小及电离子大小及电荷荷水、一价离子、水、一价离子、多价离子多价离子有机物有机物复合膜复合膜反渗透反渗透压力差压力差溶剂的扩散传溶剂的扩散传递递水、溶剂水、溶剂溶质、盐溶质、盐非对称性膜非对称性膜复合膜复合膜膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型渗析渗析浓度差浓度差溶质的扩散溶质的扩散传递传递低分子量低分子量物、离子物、离子溶剂溶

9、剂非对称性膜非对称性膜电渗析电渗析电位差电位差电解质离子的电解质离子的选择传递选择传递电解质离子电解质离子非电解质，非电解质，大分子物质大分子物质离子交换膜离子交换膜气体分气体分离离压力差压力差气体和蒸汽的气体和蒸汽的扩散渗透扩散渗透气体或蒸汽气体或蒸汽难渗透性气难渗透性气体或蒸汽体或蒸汽均相膜、复合均相膜、复合膜，非对称膜膜，非对称膜渗透蒸渗透蒸发发压力差压力差选择传递选择传递易渗溶质或易渗溶质或溶剂溶剂难渗透性溶难渗透性溶质或溶剂质或溶剂均相膜、复合均相膜、复合膜，非对称膜膜，非对称膜液膜分液膜分离离浓度差浓度差反应促进和反应促进和扩散传递扩散传递杂质杂质溶剂溶剂乳状液膜、支乳状液膜、支撑

10、液膜撑液膜续上表续上表 成本低成本低 能耗少能耗少 效率高效率高 无污染无污染 可回收利用有用物质可回收利用有用物质特别适用于特别适用于性质相似组分性质相似组分同分异构体组分同分异构体组分热敏性组分热敏性组分生物物质组分生物物质组分 化工、环保、化工、环保、食品食品、医药医药、电子、电力、电子、电力、冶金、轻纺、冶金、轻纺、海水淡化海水淡化等领域广泛使用等领域广泛使用海水海水 过滤过滤 沉降沉降 钠离子交换柱去除高价阳离子钠离子交换柱去除高价阳离子 逆渗透逆渗透 浓水浓水淡水淡水1. 1. 按膜的材料分类按膜的材料分类 膜材料的分类膜材料的分类类类 别别膜材料膜材料举举 例例纤维素酯类纤维素酯

11、类纤维素衍生物类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素酯类非纤维素酯类聚砜类聚砜类聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰( (亚亚) )胺类胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等聚酯、烯烃类聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟含氟( (硅硅) )类类聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他其他壳聚糖，聚电解质等壳聚糖，聚电解质等2. 2. 按膜的分离原理及适用范围分类按

12、膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。等。3. 3. 按膜断面的物理形态分类按膜断面的物理形态分类 根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为为对称膜对称膜，不对称膜不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。中空纤维膜等。膜材料膜材料 用作分离膜的材料包括天然的和人工合成的用作分离膜的材料包括天然的和人工合成的有有机高

13、分子材料机高分子材料和和无机材料无机材料。 原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如求，如分离效率分离效率、分离速度分离速度等。此外，也取决于膜等。此外，也取决于膜的制备技术。的制备技术。 目前，实用的有机高分子膜材料有：目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备

14、出来，其中约说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约4040多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占维素酯类膜占5353，聚砜膜占，聚砜膜占33.333.3，聚酰胺膜，聚酰胺膜占占11.711.7，其他材料的膜占，其他材料的膜占2 2，可见纤维素酯，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。类材料在膜材料中占主要地位。 纤维素是由几千个纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过椅式构型的葡萄糖基通过1, 1, 4-4-甙链甙链连接起来的天然线性高分子化合物，连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：其结构式为：OHOHOHHOH HOHHCH

15、2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_222. 非纤维素酯类膜材料非纤维素酯类膜材料（1）非纤维素酯类膜材料的基本特性）非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团；分子链中含有亲水性的极性基团； 主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；抗压密性和耐热性； 化学稳定性好；化学稳定性好； 具有可溶性；具有可溶性； 常用于制备分离膜的合成高分子材料有常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物胺、芳香杂环聚合

16、物和离子聚合物等。等。（2）主要的非纤维素酯类膜材料）主要的非纤维素酯类膜材料 （i）聚砜类）聚砜类 聚砜结构中的特征基团为聚砜结构中的特征基团为 ，为了引入亲水基，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。磺化。 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。等。SOO 聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，强度也很高，pH值适应范围为值适应

17、范围为113，最高使用温度，最高使用温度达达120，抗氧化性和抗氯性都十分优良。抗氧化性和抗氯性都十分优良。 因此已成为重要的膜材料之一。这类树脂中，目因此已成为重要的膜材料之一。这类树脂中，目前的代表品种有：前的代表品种有：OCCH3CH3OS聚 砜聚 芳 砜聚 醚 砜聚苯醚砜OOnOnSOOSOOOnSOOOnSOOO （ii）聚酰胺类）聚酰胺类 早期使用的聚酰胺是早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如，如尼龙尼龙-66等等制成的制成的中空纤维膜中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在。这类产品对盐水的分离率在8090之间，但透水率很低，仅之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2

18、h。以后发展了以后发展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，用它们制成的分离膜，pH适用范围为适用范围为311，分离率可达，分离率可达99.5（对盐水），（对盐水），透水速率为透水速率为0.6 ml/cm2h。长期使用稳定性好。由于。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求较高要求。 Du Pont公司生产的公司生产的DP-I型膜型膜即为由此类膜材料即为由此类膜材料制成的，它的合成路线如下式所示：制成的，它的合成路线如下式所示：H2NnCONHNH2Cl+nCOCClNHCONHNHCCnDMACOOO （

19、iii）芳香杂环类）芳香杂环类 聚苯并咪唑类聚苯并咪唑类 如由如由美国美国Celanese公司研制的公司研制的PBI膜膜即为此种即为此种类型。这种膜材料可用以下路线合成：类型。这种膜材料可用以下路线合成：NH2H2NNH2H2N+nOCOCOONNCHNNCH+2 nOH+2 n H2On 聚苯并咪唑酮类聚苯并咪唑酮类 这类膜的代表是日本帝人公司生产的这类膜的代表是日本帝人公司生产的PBLL膜，膜，其化学结构为：其化学结构为： 这种膜对这种膜对0.5NaCl溶液的分离率达溶液的分离率达9095，并有较高的透水速率。并有较高的透水速率。NCONHSO2HNNCOn 聚酰亚胺类聚酰亚胺类 聚酰亚胺

20、具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。NCCOONCCOOArn 其中，其中，Ar为芳基，对气体分离的难易次序如下：为芳基，对气体分离的难易次序如下：H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8易易 难难 聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，因此开发了聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，因此开发了可可溶性聚酰亚胺溶性聚酰亚胺，其结构为：，其结构为：NCCOOCH2CHRNCCO

21、OCH2CHn （iv）离子性聚合物）离子性聚合物 离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。酸型阳离子交换膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离是最常用的两种离子聚合物膜。子聚合物膜。OCH3H3CHClSO3SO3HHCl+CH3OH3C+nn

22、CCH3CH3OSOOOHClSO3+nCCH3CH3OSOOOnSO3H （v）乙烯基聚合物）乙烯基聚合物 用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯苯乙烯磺酸、聚乙烯醇磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯甲基丙烯酸酯、聚乙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。聚物也可用作膜材料。膜的制备膜的制备 膜

23、的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。能分离膜的重要保证。 目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。1）平板式）平板式用于用于UF的板框系统的板框系统进水进水透过水透过水浓缩水浓缩水耐压容器耐压容器透水板透水板半透膜半透膜板框式膜组件工板框

24、式膜组件工作过程示意图作过程示意图特点：特点：结构简单，体积结构简单，体积比管式的小。比管式的小。缺点：缺点：装卸复装卸复杂，单杂，单位体积位体积膜表面膜表面积小。积小。密封密封密封密封密封密封2）螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图）螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料多孔透水材料膜，上下两层膜，上下两层膜叶膜叶透水网状材料透过水透过水浓浓水水进进水水螺旋卷式膜组件组合示意图螺旋卷式膜组件组合示意图进进水水口口耐压耐压容器容器连连接接器器膜膜组组件件密密封封圈圈端端盖盖透透过过液液浓浓缩缩液液工工业业应应用用的的反反渗渗透透装装置置 中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维膜组件是由

25、中空纤维膜制成的。 中空纤维外径中空纤维外径50200 m，内径，内径25 42 m。 将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。 将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。 进水浓水浓水透过水透过水多孔进水管多孔进水管浓水出口浓水出口淡水出口淡水出口密封密封中空纤维膜中空纤维膜外径外径

26、50200内径内径2542密封密封耐压容器耐压容器膜断面图膜断面图 典型的膜分离技术有微孔过滤典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)、超滤、超滤(UF)、反渗透反渗透(RO)、纳滤、纳滤(NF)、渗析、渗析(D)、电渗析、电渗析(ED)、液膜、液膜(LM)及渗透蒸发及渗透蒸发( PV)等，下面分别介绍之。等，下面分别介绍之。6.6.1 微孔过滤技术微孔过滤技术1. 微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤和微孔膜的特点 微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为静压差为推动力推动力，利用筛网状过滤介质膜的，利用筛网状过滤介质膜的“筛分筛分”作用进行作用进行分分离的膜过程。实

27、施微孔过滤的膜称为离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜微孔膜。6.6 6.6 典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术及应用领域 微孔膜是均匀的多孔薄膜，微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在厚度在90150m左左右，过滤粒径在右，过滤粒径在0.02510m之间，操作压在之间，操作压在0.010.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计类，总计400多种。多种。 微孔膜的主要优点为：微孔膜的主要优点为： 孔径均匀，过滤精度高。能孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留定孔径的微粒全部截留； 孔隙大，流速

28、快。一般微孔膜的孔密度为孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔孔/cm2，微孔体积占膜总体积的，微孔体积占膜总体积的7080。由于膜很。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍； 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之间，因而吸附量很少，可忽略不计。之间，因而吸附量很少，可忽略不计。 无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。 微孔膜的缺点：微孔膜的缺点： 颗

29、粒容量较小，易被堵塞；颗粒容量较小，易被堵塞； 使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。工作。2. 2. 微孔过滤技术应用领域微孔过滤技术应用领域 微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：（1 1）微粒和细菌的过滤。）微粒和细菌的过滤。可用于可用于水的高度净化水的高度净化、食品食品和饮料的除菌和饮料的除菌、药液的过滤药液的过滤、发酵工业的空气净化和、发酵工业的空气净化和除菌等。除菌等。（2 2）微粒和细菌的检测。）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量

30、的测定。富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。（3 3）气体、溶液和水的净化。）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4 4）食糖与酒类的精制。）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。

31、由于是常度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。温操作，不会使酒类产品变味。（5 5）药物的除菌和除微粒。）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也被截留，无细菌尸体残留在

32、药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。不会引起药物的受热破坏和变性。 许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。1. 1. 超滤和超滤膜的特点超滤和超滤膜的特点 超滤技术始于超滤技术始于 1861 1861 年，其年，其过滤粒径介于微过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约滤和反渗透之间，约5 510nm10nm，在，在 0.10.10.5MPa 0.5MPa 的静压差推动下截留各种可溶性大分子的静压差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、，如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量

33、大于蛋白质、酶等相对分子质量大于500500的大分子及胶的大分子及胶体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。目的。 超滤技术的核心部件是超滤技术的核心部件是超滤膜超滤膜，分离截留的分离截留的原理为筛分原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。 超滤膜均为超滤膜均为不对称膜不对称膜，形式有平板式、卷式、管，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由式和中

34、空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构组三层结构组成成。即最上层的。即最上层的表面活性层表面活性层，致密而光滑，厚度为，致密而光滑，厚度为0.10.11.5m1.5m，其中细孔孔径一般小于，其中细孔孔径一般小于10nm10nm；中间的；中间的过渡层过渡层，具有大于，具有大于10nm10nm的细孔，厚度一般为的细孔，厚度一般为1 110m10m；最下面的最下面的支撑层支撑层，厚度为，厚度为5050250m250m，具有，具有50nm50nm以上以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层度。膜的分离性

35、能主要取决于表面活性层和过度层。 中空纤维状超滤膜的外径为中空纤维状超滤膜的外径为0.52m。特点是。特点是直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜的内表面积很大，能有效提高渗透通量。的内表面积很大，能有效提高渗透通量。 制备超滤膜的材料主要有制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素烯腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH =

36、38，三，三醋酸纤维素超滤膜适用于醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 29，芳香聚酰胺超，芳香聚酰胺超滤膜适用于滤膜适用于pH = 59，温度，温度040，而聚醚砜超，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过滤膜的使用温度则可超过100。2. 2. 超滤膜技术应用领域超滤膜技术应用领域 超滤膜的应用也十分广泛，在作为超滤膜的应用也十分广泛，在作为反渗透预反渗透预处理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳处理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、漆和阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业废水的处理工业废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。等众多领域都发挥着重

37、要作用。 超滤技术主要用于含分子量超滤技术主要用于含分子量500500500,000500,000的的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面。化等。主要可归纳为以下方面。（1 1）纯水的制备。）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。电子工业超净水和医用无菌水等。（2 2）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗

38、水的处理。）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有1 12 2的涂料（高分子物质），用超滤装置可的涂料（高分子物质），用超滤装置可分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。缩重新用于电泳涂装。（3 3）食品工业中的废水处理。）食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。（4 4）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可应用超滤

39、技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。方便，成本较低。（5 5）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。（6 6）造纸厂的废水处理。）造纸厂的废水处理。1. 1. 反渗透原理及反渗透膜的特点反渗透原理及反渗透膜的特点 渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前就已经自觉或不自觉地使

40、用渗透或反渗透分离前就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍物质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。在使用的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡海水和苦咸水的脱盐淡化化、超纯水制备超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。有其他方法不可比拟的优势。 渗透和反渗透的原理如图所示。如果用一张只渗透和反渗透的原理如图所示。如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓的水溶液隔开，水会自然地

41、透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗渗透透（图（图a a）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至面升高，压力增大。当液面升高至H H时，渗透达到平时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图衡，两侧的压力差就称为渗透压（图b b）。）。 渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通渗透过程

42、达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。量为零。 渗透与反渗透原理示意图渗透与反渗透原理示意图 如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图这一过程就称为反渗透（图c c）。）。 反渗透技术反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于所分离的物质的分子量一般小于500500，操作压力为操作压力为 2 2100MPa100MPa。 用于实施反渗透操作的膜为用于实施反

43、渗透操作的膜为反渗透膜反渗透膜。反渗透。反渗透膜大部分为膜大部分为不对称膜不对称膜，孔径小于孔径小于0.5nm0.5nm，可截留溶质，可截留溶质分子。分子。 制备反渗透膜的材料主要有制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。等。 反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有氢键理论、要有氢键理论、选择吸附选择吸附- -毛细管流动理论毛细管流动理论、溶溶解扩散理论解扩散理论等。等。 反渗透反渗透、超滤超滤

44、和和微孔过滤微孔过滤都是以都是以压力差压力差为推动力为推动力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液中使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液中的的离子离子、分子分子到到固体微粒固体微粒的三级膜分离过程。一般的三级膜分离过程。一般来说，来说，分离溶液中分子量低于分离溶液中分子量低于500500的低分子物质，应的低分子物质，应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于500500的大分的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶液子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶液中的直径中的直径0.10.110m10m的粒子应该选微孔膜的粒子应该选微孔膜。以上关。

45、以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。叠。 微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特点比较下表所示。点比较下表所示。反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较分离技术类型分离技术类型反渗透反渗透超滤超滤微孔过滤微孔过滤膜的形式膜的形式表面致密的非对称膜、复合膜表面致密的非对称膜、复合膜等等非对称膜，表面有微孔非对称膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料纤维素、

46、聚酰胺等纤维素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等聚丙烯腈、聚砜等纤维素、纤维素、PVCPVC等等操作压力操作压力 /MPa/MPa2 21001000.10.10.50.50.010.010.20.2分离的物质分离的物质分子量小于分子量小于500500的小分子物质的小分子物质分子量大于分子量大于500500的大分的大分子和细小胶体微粒子和细小胶体微粒0.10.110m10m的粒子的粒子分离机理分离机理非简单筛分，膜的物化性能对非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用分离起主要作用筛分，膜的物化性能对筛分，膜的物化性能对分离起一定作用分离起一定作用筛分，膜的物理结筛分，膜的物理结构对分离起决定作构对分离

47、起决定作用用水的渗透通量水的渗透通量 /(m/(m3 3.m.m-2-2.d.d-1-1) )0.10.12.52.50.50.55 520202002003. 3. 反渗透膜技术应用领域反渗透膜技术应用领域 反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决定了它以下的应用范围。基本特征决定了它以下的应用范围

48、。（1 1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。体现了其优越性。（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。产品的疗效、风味和

49、营养等均不受影响。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。回收利用废业中有用的物质等。1. 1. 纳滤膜的特点纳滤膜的特点 纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作支，早期被称作低压反渗透膜低压反渗透膜或或松散反渗透膜松散反渗透膜。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。独立的分离技术。 纳滤膜主要用于纳滤膜主要用于截留粒径在截留粒径

50、在0.10.11nm1nm，分子，分子量为量为10001000左右的物质，可以使一价盐和小分子物左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透过，具有较小的操作压（质透过，具有较小的操作压（0.50.51MPa1MPa）。其被。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但与上述两种膜有所交叉。与上述两种膜有所交叉。 目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面，目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面，而有关纳滤膜的制备、性能表征、传质机理等的而有关纳滤膜的制备、性能表征、传质机理等的研究还不够系统、全面。进一步改进纳滤膜的制研究还不够系统、全面。进一步改进纳滤膜的制作

51、工艺，研究膜材料改性，将可极大提高纳滤膜作工艺，研究膜材料改性，将可极大提高纳滤膜的分离效果与清洗周期。的分离效果与清洗周期。1.离子交换膜的分类离子交换膜的分类（1）按可交换离子性质分类）按可交换离子性质分类 与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换离子的性能可分为离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜和双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。（2 2）按膜的结构和功能分类）按膜的结构和功能分类 按膜的结构与功能可将离子交换膜分为按膜的结构与功能可将离子交换膜分为普通普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。三种。 普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓