膜分离工程膜材料与制备学习教案

1、会计学1膜分离工程膜材料与制备膜分离工程膜材料与制备第一页，编辑于星期二：八点 四分。2第1页/共107页第二页，编辑于星期二：八点 四分。3第2页/共107页第三页，编辑于星期二：八点 四分。4第3页/共107页第四页，编辑于星期二：八点 四分。5第4页/共107页第五页，编辑于星期二：八点 四分。6n电渗析：电渗析：离子交换树脂离子交换树脂n渗透蒸发：渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合弹性态或玻璃态聚合物物; ;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺酰胺第5页/共107页第六页，编辑于星期二：八点 四分。7n操作温度范围窄（操作温度范围窄（3030）npH pH 范围窄，一般为

2、范围窄，一般为3-63-6，以防止水解；，以防止水解；n与氯作用，寿命降低；与氯作用，寿命降低；n膜有压实现象，高压下通量降低；膜有压实现象，高压下通量降低；n易被生物降解易被生物降解优点缺点二醋酸纤维素（CA）三醋酸纤维素（CTA） 常用来制备非对称反渗透膜常用来制备非对称反渗透膜，也可制备卷式超滤膜和，也可制备卷式超滤膜和纳滤膜。纳滤膜。第6页/共107页第七页，编辑于星期二：八点 四分。899表皮层，孔径表皮层，孔径（810）1010m过渡层，孔径过渡层，孔径2001010m多孔层，孔径多孔层，孔径（10004000）1010m1%第7页/共107页第八页，编辑于星期二：八点 四分。9n

3、具有疏水性，易污染；具有疏水性，易污染；n耐压能力较差。耐压能力较差。优点缺点 可制备超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜，可制成可制备超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜，可制成不同的组件形式。不同的组件形式。第8页/共107页第九页，编辑于星期二：八点 四分。10n耐氯性能较差；耐氯性能较差；n易被蛋白类溶质污染。易被蛋白类溶质污染。优点缺点 可制备反渗透复合膜。可制备反渗透复合膜。第9页/共107页第十页，编辑于星期二：八点 四分。11n耐氯性能较差；耐氯性能较差；n易污染。易污染。优点缺点 可制备反渗透复合膜、超滤膜和气体分离膜。可制备反渗透复合膜、超滤膜和气体分离膜。第10页/共107页

4、第十一页，编辑于星期二：八点 四分。12聚丙烯啨聚乙烯重要的超滤和微滤膜材料重要的超滤和微滤膜材料, ,也可制备渗透汽化膜也可制备渗透汽化膜n低密度聚乙烯可通过热致相分离和拉伸方法成膜低密度聚乙烯可通过热致相分离和拉伸方法成膜 化学性能稳定化学性能稳定;耐有机物污染、通量大，但耐温性差。耐有机物污染、通量大，但耐温性差。n高密度聚乙烯可通过烧结法制备微滤膜高密度聚乙烯可通过烧结法制备微滤膜 耐溶剂性、透气性、透湿性、机械性能较好，电性能差。耐溶剂性、透气性、透湿性、机械性能较好，电性能差。第11页/共107页第十二页，编辑于星期二：八点 四分。13聚丙烯聚氯乙烯微滤膜材料微滤膜材料, ,常采用

5、拉伸法制备平板膜和热致相分离制中空纤维膜常采用拉伸法制备平板膜和热致相分离制中空纤维膜n耐酸碱、耐微生物侵蚀、通量大，但热稳定性和耐光性差。耐酸碱、耐微生物侵蚀、通量大，但热稳定性和耐光性差。主要用于制备超滤膜主要用于制备超滤膜第12页/共107页第十三页，编辑于星期二：八点 四分。14聚碳酸酯聚酯主要用于核径迹刻蚀法制核孔微滤膜，也是气体分离（氧主要用于核径迹刻蚀法制核孔微滤膜，也是气体分离（氧/ /氮）膜氮）膜n化学稳定性好，吸湿性小，强度高，尺寸稳定性好，耐热、耐溶化学稳定性好，吸湿性小，强度高，尺寸稳定性好，耐热、耐溶剂性能好。剂性能好。主要用作多种膜组件的衬布和支撑体主要用作多种膜组

6、件的衬布和支撑体第13页/共107页第十四页，编辑于星期二：八点 四分。15聚四氟乙烯聚偏氟乙烯憎水性强；耐强酸强碱侵蚀；耐热性好。适合处理蒸汽和腐蚀性液体。憎水性强；耐强酸强碱侵蚀；耐热性好。适合处理蒸汽和腐蚀性液体。化学稳定性好，化学稳定性好，耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐热性能好。亲水性差。耐热性能好。亲水性差。可以采用相转化法制备超滤膜和微滤膜可以采用相转化法制备超滤膜和微滤膜通过拉伸和热致相分离法制备膜蒸馏用膜通过拉伸和热致相分离法制备膜蒸馏用膜第14页/共107页第十五页，编辑于星期二：八点 四分。16聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚三甲基硅烷基丙炔（PTMSP）低温固

7、化硅橡胶主要用于气体分离膜的皮层，低温固化硅橡胶主要用于气体分离膜的皮层，具有较好的透气性和选择性具有较好的透气性和选择性化学稳定性好，化学稳定性好，耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐热性能好。亲水性差。耐热性能好。亲水性差。第15页/共107页第十六页，编辑于星期二：八点 四分。17第16页/共107页第十七页，编辑于星期二：八点 四分。18第17页/共107页第十八页，编辑于星期二：八点 四分。19第18页/共107页第十九页，编辑于星期二：八点 四分。20 高分子膜的制备方法很多，如热压成型法，相转化法、浸涂法、辐照法、表面化学改性法、拉伸成孔法、核径迹法、动力形成法等。 无

8、机膜的制备方法，主要有溶胶凝胶法、烧结法、化学沉淀法等。第19页/共107页第二十页，编辑于星期二：八点 四分。21第20页/共107页第二十一页，编辑于星期二：八点 四分。22 当聚合物处于半结晶状态，内部存在晶区和非晶区时，两个区的力学性质是不同的，当聚合物受到拉伸力量，非晶区受到过度拉伸致使局部断裂形成微孔，晶区则作为微孔区的骨架得以保存形成拉伸半晶体膜 高聚物熔体挤出沿挤出方向形成平行排列的微晶热处理使结构进一步完善冷拉伸致孔热定型。第21页/共107页第二十二页，编辑于星期二：八点 四分。23第22页/共107页第二十三页，编辑于星期二：八点 四分。24 牵伸倍数和牵伸温度对于形成微

9、孔尺寸和 孔隙率是很重要的。 结晶的变化和结晶形态的变化是能否形成 微孔及微孔大小的决定因素。第23页/共107页第二十四页，编辑于星期二：八点 四分。25 将粉状聚合物或金属粉均匀加热，控制温度和压力，使粉粒间存在一定空隙，只使粉粒的表面熔融但并不全熔，从而相互粘结形成多孔的薄层或管状结构。膜孔径的大小，由原料粉的粒度及浇结温度来控制。此法多用于聚乙烯、聚四氟乙烯、金属粉末等膜材料。第24页/共107页第二十五页，编辑于星期二：八点 四分。26 高分子薄膜在垂直方向受到同位素裂变碎片或重粒子加速器放出的带电粒子的轰击，聚合物分子的长链断裂。由于在断裂处形成活性很高的化学反应能力，能够优先被

10、化学蚀刻剂所溶解，形成蚀穿的孔洞。膜孔的大小由侵蚀的程度来控制。a. 辐照刻蚀b. 刻蚀NaOH第25页/共107页第二十六页，编辑于星期二：八点 四分。27 核孔膜的筛孔是园柱形，基本与膜面垂直 孔径均匀 孔隙率一般在10%左右，对产品吸附量小 核孔膜透明，表面平滑 核孔膜一般有较好的化学稳定性第26页/共107页第二十七页，编辑于星期二：八点 四分。28 溶出法指在制膜基材中混入某些可溶出的高分子或其他可溶性水溶性固体添加剂，成膜后将母体浸入水浴或某些溶剂中，将这些混入物质浸取出来而致孔。如PEG、醇类、酯类等第27页/共107页第二十八页，编辑于星期二：八点 四分。29第28页/共107

11、页第二十九页，编辑于星期二：八点 四分。30第29页/共107页第三十页，编辑于星期二：八点 四分。31第30页/共107页第三十一页，编辑于星期二：八点 四分。32 相转化法是聚合物从溶液中沉析成固体的过程中从一个均相液态转变成两个液态（液液分相）而引发的形成聚合物浓相和聚合物稀相，浓相最终发展成膜本体，稀相转化成孔道。聚合物溶液（溶胶）聚合物稀相孔聚合物浓相膜本体常用的有热凝胶法和浸沉凝胶法第31页/共107页第三十二页，编辑于星期二：八点 四分。33聚合物溶剂添加剂均质制膜液流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂凝固液浸渍水洗后处理非对称膜图图 LS法制备法制备分离膜工

12、艺流程框图分离膜工艺流程框图第32页/共107页第三十三页，编辑于星期二：八点 四分。34。第33页/共107页第三十四页，编辑于星期二：八点 四分。35第34页/共107页第三十五页，编辑于星期二：八点 四分。36第35页/共107页第三十六页，编辑于星期二：八点 四分。37第36页/共107页第三十七页，编辑于星期二：八点 四分。38第37页/共107页第三十八页，编辑于星期二：八点 四分。39第38页/共107页第三十九页，编辑于星期二：八点 四分。40第39页/共107页第四十页，编辑于星期二：八点 四分。41制膜液制膜液凝胶浴凝胶浴聚合物 10-40%溶剂 60-90%致孔剂 10-

13、30%水溶剂必须能溶解聚合物，且与凝胶介质水混溶，与其他组分不起化学反应。在常温下制膜，溶剂最好是低沸点的极性溶剂。致孔剂必须溶于溶剂，且与凝胶介质水混溶。致孔剂最好是高沸点的极性物质。第40页/共107页第四十一页，编辑于星期二：八点 四分。42Gm = Hm - TSm (1)Gm 、Hm 、Sm 分别为高分子与溶剂分子混合的Gibbs混合自由能、混合热和混合熵；T溶解温度溶解温度)2(2125 . 0225 . 011 VEVEHmE-液体分子的内聚能内聚能，即将1mol液体所含分子全部分开时，为克服分子间作用力所必须的能量；V1，V2-组分1和2的摩尔体积摩尔体积；1 2-组分1和2的

14、体积分率最常用的材料物化特征参数，对溶剂相转化制备高分子膜具有重要的指导作用，是选择溶剂、添加剂和凝胶剂的主要参考参数。第41页/共107页第四十二页，编辑于星期二：八点 四分。435 . 0VEsp) 3(VEVEVEVEhpd)4(2222hpdsp分别表示总溶解度参数的色散色散分量、偶极偶极分量和氢键氢键分量第42页/共107页第四十三页，编辑于星期二：八点 四分。44)5(,aVEiicohspbVFigidd5,cVFigipp5,2,dVEigihh5,Ecoh,i,Vi,Fd,i,Fp,i,Eh,i,Vg,i等分别是各结构单元i的分量第43页/共107页第四十四页，编辑于星期二：

15、八点 四分。45聚酰胺酰肼的重复单元已知三种结构基团对摩尔体积和溶解度参数的贡献计算氢键溶解度参数h色散溶解度参数d和总溶解度参数sp第44页/共107页第四十五页，编辑于星期二：八点 四分。465 . 15 . 0,/35.199 .248 .4925 .65)49.3249962.44503cmJVEigihh解解: 5 . 15 . 0,/9 .189 .248 .4925 .65/164.45033.900269.1270cmJVFigidd 5 . 15 . 0,/39.335 . 91922 .52/334964 .46894281.31946cmJVEiicohsp第45页/共1

16、07页第四十六页，编辑于星期二：八点 四分。47第46页/共107页第四十七页，编辑于星期二：八点 四分。485 . 15 . 0/0 . 27 . 1cmcalssp上述关系对于非极性分子、无放热和吸体系是适对于非极性分子、无放热和吸体系是适用的用的。但是对分子极性较强的体系极性较强的体系，如生成氢键，有放热的体系，就不能简单地采用上述关系，而需将溶解参数与氢键结合起来考虑需将溶解参数与氢键结合起来考虑。第47页/共107页第四十八页，编辑于星期二：八点 四分。49一种聚合物选定后在选择溶剂时，一般遵循下列原则：第48页/共107页第四十九页，编辑于星期二：八点 四分。50第49页/共107

17、页第五十页，编辑于星期二：八点 四分。51。第50页/共107页第五十一页，编辑于星期二：八点 四分。52第51页/共107页第五十二页，编辑于星期二：八点 四分。53G0iG022iG第52页/共107页第五十三页，编辑于星期二：八点 四分。54022iG022iG第53页/共107页第五十四页，编辑于星期二：八点 四分。55第54页/共107页第五十五页，编辑于星期二：八点 四分。56第55页/共107页第五十六页，编辑于星期二：八点 四分。57第56页/共107页第五十七页，编辑于星期二：八点 四分。58第57页/共107页第五十八页，编辑于星期二：八点 四分。59第58页/共107页第

18、五十九页，编辑于星期二：八点 四分。60第59页/共107页第六十页，编辑于星期二：八点 四分。61醋酸纤维素S固相D膜的组成L液相制膜液组成第60页/共107页第六十一页，编辑于星期二：八点 四分。62第61页/共107页第六十二页，编辑于星期二：八点 四分。63第62页/共107页第六十三页，编辑于星期二：八点 四分。64第63页/共107页第六十四页，编辑于星期二：八点 四分。65第64页/共107页第六十五页，编辑于星期二：八点 四分。66第65页/共107页第六十六页，编辑于星期二：八点 四分。67第66页/共107页第六十七页，编辑于星期二：八点 四分。68第67页/共107页第六

19、十八页，编辑于星期二：八点 四分。69第68页/共107页第六十九页，编辑于星期二：八点 四分。70第69页/共107页第七十页，编辑于星期二：八点 四分。71第70页/共107页第七十一页，编辑于星期二：八点 四分。72第71页/共107页第七十二页，编辑于星期二：八点 四分。73第72页/共107页第七十三页，编辑于星期二：八点 四分。74第73页/共107页第七十四页，编辑于星期二：八点 四分。75第74页/共107页第七十五页，编辑于星期二：八点 四分。76异丙醇铝加酸水解、陈化溶胶涂膜、干燥凝胶热处理陶瓷膜溶胶一凝胶过程可以制备具备超滤性质的中孔层。 第75页/共107页第七十六页，

20、编辑于星期二：八点 四分。77a. 平板膜b. 管式膜b. 中空纤维膜第76页/共107页第七十七页，编辑于星期二：八点 四分。78膜组件的基本要求膜组件的基本要求 ：n流体分布均匀，无死角；具有良好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性流体分布均匀，无死角；具有良好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性；装填密度大；制造成本低；易于清洗；压力损失小；有利于降低传递阻；装填密度大；制造成本低；易于清洗；压力损失小；有利于降低传递阻力。力。第77页/共107页第七十八页，编辑于星期二：八点 四分。79第78页/共107页第七十九页，编辑于星期二：八点 四分。80 板框式膜组件板框式膜组件 这类膜器件的结

21、构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交替重这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交替重叠组成。叠组成。滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从支撑板的下部孔道中汇集排出。支撑板的下部孔道中汇集排出。优点优点: 组装方便，膜的清洗更换容易，组装方便，膜的清洗更换容易，料液流通截面较料液流通截面较 大，不易堵塞。大，不易堵塞。缺点缺点:单位体积膜表面积小，需密封的边单位体积膜表面积小，需密封的边界线长界线长 第79页/共107页第八十页，编辑于星期二：八点 四分。81截留液截留液透透过过液液料液料液 膜

22、膜支撑板支撑板隔板隔板平板式膜组件平板式膜组件第80页/共107页第八十一页，编辑于星期二：八点 四分。82第81页/共107页第八十二页，编辑于星期二：八点 四分。83螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧即成一个膜组。料液在膜表面通过间隔材心管卷紧即成一个膜组。料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，透过液沿螺旋形流向中心管。料沿轴向流动，透过液沿螺旋形流向中心管。优点优点: : 卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍流

23、状组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍流状况好，适用于反渗透；况好，适用于反渗透； 缺点缺点: :清洗不方便，尤其是易堵塞，限制了其发展。清洗不方便，尤其是易堵塞，限制了其发展。 第82页/共107页第八十三页，编辑于星期二：八点 四分。84第83页/共107页第八十四页，编辑于星期二：八点 四分。85密封密封密封密封密封密封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多孔透水材料料膜，上下两层膜，上下两层第84页/共107页第八十五页，编辑于星期二：八点 四分。86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

24、示意图第85页/共107页第八十六页，编辑于星期二：八点 四分。87透析液透析液浓缩液浓缩液料液料液膜组件与外壳之间的密封膜组件与外壳之间的密封多孔收集管多孔收集管膜的保护层膜的保护层 隔离网隔离网透析液的收集系统透析液的收集系统膜膜螺旋卷式膜的内部结构螺旋卷式膜的内部结构第86页/共107页第八十七页，编辑于星期二：八点 四分。88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膜组件的组装示意图膜组件的组装示意图第87页/共107页第八十八页，编辑于星期二：八点 四分。89管式膜组件管式膜组件管式膜组件由管式膜制成，管内与管外分别走料液与透过

25、液，管式膜组件由管式膜制成，管内与管外分别走料液与透过液，管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。优点：优点：结构简单，适应性强，清洗方便，结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。高的料液。缺点缺点: : 管式膜组件的缺点是单位体积膜管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积小，保留体积大，压力降组件的膜面积小，保留体积大，压力降大。大。 第88页/共107页第八十九页，编辑于星期二：八点 四分。90多通道组件多通道组件组件外壳组件外壳渗透液渗透液原料液原料液渗透液渗透液渗余液渗余液渗透液

26、渗透液垫圈垫圈第89页/共107页第九十页，编辑于星期二：八点 四分。91中空纤维膜组件中空纤维膜组件 由数百至上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成。由数百至上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成。内径为内径为40-80um40-80um膜称中空纤维膜，膜称中空纤维膜，0.25-2.5mm0.25-2.5mm膜称毛细管膜。膜称毛细管膜。前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤料液流向：采用内压式时为防止堵塞，对料液预处理要求较高；采料液流向：采用内压式时为防止堵塞，对料液预处理要求较高；采用外压式时，凝胶层控制较困难。用外压式时，凝胶层控制较困难。优点优点

27、: :设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大( (高达高达160001600030000 )30000 )缺点缺点: :中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，膜中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，膜污染难除去，因此对料液处理要求高。污染难除去，因此对料液处理要求高。第90页/共107页第九十一页，编辑于星期二：八点 四分。92第91页/共107页第九十二页，编辑于星期二：八点 四分。93管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式第92页/共107页第九十三页，编辑于星期二：八点 四分。94第93页/共107页第九十四页，编辑于星期二：八点 四分

28、。951. 分离性能截留率%100原透原CCCR脱盐率%100原透原原透原SSSCCCR分离系数2222NNjiCCOCOCPP（C:为透过侧O2、N2的浓度 C :为物料侧O2 、N2的浓度 )膜性能表征第94页/共107页第九十五页，编辑于星期二：八点 四分。962. 透过性能一般处理水体的膜以纯水通量来表征 MPahmL23. 膜的物化性能机械强度、热稳定性、耐化学试剂性能、耐菌性、亲疏水性、表面电位等。第95页/共107页第九十六页，编辑于星期二：八点 四分。97 大小不匀，近于泊松分布平均孔径 非园柱状，迷宫式 非对称式，相转化法表层多为致密皮层第96页/共107页第九十七页，编辑于星期二：八点 四分。98流速法泡点法压汞法电镜法BET法标准物法第97页/共107页第九十八页，编辑于星期二：八点 四分。99流速法测平均孔径：依据是Hagen-Poiseuille方程假定膜孔径一致，为垂直膜面的园柱形孔tppAxQKrr8：流体粘度 Pasx：膜厚 mA： 膜面积 m2p：压差 PaQ：滤出液量 m3/s t： 过滤时间 sPr： 孔隙率 K： 弯曲率因子其中：%1002VWWV总V孔prOHdwW：湿膜质量 kg ，wWdW：干膜质量 kg ，OH2：水的密度 kg/m3V：膜的表观体积 m3第