1、1第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 5.1 概述概述5.1.1 分离膜与膜分离技术的概念分离膜与膜分离技术的概念 分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。的分隔两相或两部分的界面。膜的形式可以是固态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。膜至少具有两个界面，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侧流体接触并进行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
2、完全透过性的，也可以传递。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。是半透过性的，但不能是完全不透过性的。膜在生膜在生产和研究中的使用技术被称为膜技术。产和研究中的使用技术被称为膜技术。2第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术5.1.2 功能膜的分类功能膜的分类1.按膜的材料分类按膜的材料分类 表表41 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，
3、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3第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术2.按膜的分离原理及适用范围分类按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，可将其分根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔
4、膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。电渗析膜、渗透蒸发膜等。5.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，可将其分为对称根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。膜等。4第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术4.按功能分类按功能分类 日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为分离功能膜分离功能膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子
5、（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）、交换膜、化学功能膜）、能量转化功能膜能量转化功能膜（包括浓（包括浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能转化膜，导电膜）、转化膜，导电膜）、生物功能膜生物功能膜（包括探感膜、生（包括探感膜、生物反应器、医用膜）等。物反应器、医用膜）等。5第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术5.1.5 膜分离过程的类型膜分离过程的类型 分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或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。或者说，输送特定的物质，如
6、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。物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。6第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术5.2 膜材料及膜的制备膜材料及膜的制备5.2.1 膜材料膜材料 用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合成的成的有机高分子材料有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
7、。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。的制备技术。7第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 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：纤维素酯类、纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占55，聚砜膜占聚砜膜占55.5，聚酰胺膜占
8、，聚酰胺膜占11.7，其他材料的膜占，其他材料的膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。8第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术1.纤维素酯类膜材料纤维素酯类膜材料 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1,4甙链甙链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：为：OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_229第五章第五章 高分子分离膜与膜
9、分离技术高分子分离膜与膜分离技术 从结构上看，每个葡萄糖单元上有五个羟基。从结构上看，每个葡萄糖单元上有五个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或五醋酸纤维素。素或五醋酸纤维素。C6H7O2 +(CH5CO)2O C6H7O2(OCOCH5)2 +H2O C6H7O2 +5(CH5CO)2O C6H7O2(OCOCH5)5 +2 CH2COOH10第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋
10、酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。为了改进其性能，进一步提高分离下易发生水解。为了改进其性能，进一步提高分离效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤维素的混合物来制膜，也可采用醋酸纤维素与硝酸维素的混合物来制膜，也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH值适应
11、范值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。11第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术2.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
12、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、聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。等。12第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术（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 为了引入亲水基团，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。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
13、甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。等。SOO13第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳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，定性，强度也很高，pH值适应范围为值适应范围为115，最，最高使用温度达高使用温度达120，抗氧化性和抗氯性都十分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。这类树脂优良。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：中，目前的代表品种有：14第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术OCCH3CH3OS聚 砜聚 芳 砜聚 醚 砜聚苯醚砜OOnOnSOO
14、SOOOnSOOOnSOOO15第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 （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，如尼龙，如尼龙4、尼龙、尼龙66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在的分离率在8090之间，之间，但透水率很低，但透水率很低，仅仅0.076 ml/cm2h。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，用它们制成的分离膜，制成的分离膜，pH适用范围为适用范围为511，分离率可达，分离率可达99.5（对盐水），透水速率为（对盐水），透水速率为0.6 ml/cm
15、2h。长期。长期使用稳定性好。由于使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种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膜对水中的游离氯有较高要求。16第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 类似结构的芳香族聚酰胺膜材料有：类似结构的芳香族聚酰胺膜材料有：NHCONHNHCOnNHCONHNHCONHCOCOn17第第五五章章 高分子分离膜与膜分高分子分离膜与膜分离技术离技术 聚酰亚胺类聚酰亚胺类 聚酰亚胺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
16、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。NCCOONCCOOArn18第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 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，C5H8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，因此开发了可溶性聚酰亚胺可溶性聚酰亚胺，其结构为：其结构为：NCCOOCH2CHRNCCOOCH2CHn19第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 （v）乙烯
17、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。20第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术5.2.2 膜的制备膜的制备1.分离膜制
18、备工艺类型分离膜制备工艺类型 膜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。21第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术2.相转化制膜工艺相转化制膜工艺 相转化是指
19、将均质的制膜液通过溶剂的挥发或相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是LS型制膜法型制膜法。它是由加拿大人劳勃（。它是由加拿大人劳勃（S.Leob）和索里）和索里拉金（拉金（S.Sourirajan）发明的，并首先用于制造醋）发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。酸纤维素膜。将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使
20、溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜，发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜，其工艺框图可表示如下：其工艺框图可表示如下：22第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术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42 LS法制备法制备分离膜工艺流程框图分离膜工艺流程框图23第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术5.复合制膜工艺复合制膜工艺 由由LS法制的膜，起分离作用的仅是接触空气法制的膜，起分离作用的仅是接触空气的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约的极薄一层
21、，称为表面致密层。它的厚度约0.251m，相当于总厚度的，相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可左右。理论研究表明可知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用LS法法制备表面层小于制备表面层小于0.1m的膜极为困难。为此，发展的膜极为困难。为此，发展了了复合制膜工艺复合制膜工艺，其方框图如图，其方框图如图45所示。所示。24第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术多孔支持膜涂覆交联加热形成超薄膜亲水性高分子溶液的涂覆复合膜形成超薄膜的溶液交联剂图图45 复合制膜工艺流程框图复合制膜工艺流程框图25第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技
22、术高分子分离膜与膜分离技术5.2.5 膜的保存膜的保存 分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜，而水微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜，而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。26第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术
23、5.5 膜的结构膜的结构 膜的结构主要是指膜的形态、膜的结晶态和膜膜的结构主要是指膜的形态、膜的结晶态和膜的分子态结构。膜结构的研究可以了解膜结构与性能的分子态结构。膜结构的研究可以了解膜结构与性能的关系，从而指导制备工艺，改进膜的性能。的关系，从而指导制备工艺，改进膜的性能。5.5.1 膜的形态膜的形态 用电镜或光学显微镜观察膜的截面和表面，可以用电镜或光学显微镜观察膜的截面和表面，可以了解膜的形态。了解膜的形态。27第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术1.微孔膜微孔膜具有开放式的网格结构具有开放式的网格结构 微孔膜具有开放式的网格结构，形成机理为：微孔膜具有开放式
24、的网格结构，形成机理为：制膜液成膜后，溶剂首先从膜表面开始蒸发，形成制膜液成膜后，溶剂首先从膜表面开始蒸发，形成表面层。表面层下面仍为制膜液。溶剂以气泡的形表面层。表面层下面仍为制膜液。溶剂以气泡的形式上升，升至表面时就形成大小不等的泡。这种泡式上升，升至表面时就形成大小不等的泡。这种泡随着溶剂的挥发而变形破裂，形成孔洞。此外，气随着溶剂的挥发而变形破裂，形成孔洞。此外，气泡也会由于种种原因在膜内部各种位置停留，并发泡也会由于种种原因在膜内部各种位置停留，并发生重叠，从而形成大小不等的网格。生重叠，从而形成大小不等的网格。开放式网格的孔径一般在开放式网格的孔径一般在0.11m之间，可以之间，可
25、以让离子、分子等通过，但不能使微粒、胶体、细菌让离子、分子等通过，但不能使微粒、胶体、细菌等通过。等通过。28第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术2.反渗透膜和超过滤膜的双层与五层结构模型反渗透膜和超过滤膜的双层与五层结构模型 雷莱（雷莱（Riley）首先研究了用）首先研究了用LS法制备的醋酸法制备的醋酸纤维素反渗透膜的结构。从电镜中可看到，醋酸纤纤维素反渗透膜的结构。从电镜中可看到，醋酸纤维反渗透膜具有不对称结构。与空气接触的一侧是维反渗透膜具有不对称结构。与空气接触的一侧是厚度约为厚度约为0.25m的表面层，占膜总厚度的极小部的表面层，占膜总厚度的极小部分（一般膜
26、总厚度约分（一般膜总厚度约100 m）。表面没有物理孔）。表面没有物理孔洞，致密光滑。下部则为多孔结构，孔径为洞，致密光滑。下部则为多孔结构，孔径为0.4m左右。这种结构被称为左右。这种结构被称为双层结构模型双层结构模型。29第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术5.4 典型的膜分离技术典型的膜分离技术 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。等。5.4.1 微孔过滤技术微孔过滤技术1.微孔过滤和
27、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”作用进行分作用进行分离的膜过程。实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。30第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 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左右，过滤粒径在左右，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。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有膜约
28、有15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。能将液体中所有大孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；于制定孔径的微粒全部截留；孔隙大，流速快。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。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；几十倍；31第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 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901
29、50m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，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过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。滤液。微孔膜的缺点：微孔膜的缺点：颗粒容量较小，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，否则无法正使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。常工作。32第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术5.4.2 超滤技术超滤技术 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 年，其年
30、，其过滤粒径介于微滤和过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约反渗透之间，约510 nm，在，在 0.10.5 MPa 的静压的静压差推动下截留各种可溶性大分子差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质，如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于、酶等相对分子质量大于500的大分子及胶体，形成的大分子及胶体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。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，分离截留的原理，分离截留的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微为筛分，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。膜上微孔的尺寸孔
31、，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。和形状决定膜的分离效率。33第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管超滤膜均为不对称膜，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空纤维状等。超滤膜的结构一般由五层结构五层结构组成组成。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，致密而光滑，厚度为为0.11.5m，其中细孔孔径一般小于，其中细孔孔径一般小于10nm；中；中间的间的过渡层过渡层，具有大于，具有大于10nm的细孔，厚度一般为的细孔，厚度一般为110m；最下面的；
32、最下面的支撑层支撑层，厚度为，厚度为50250m，具有具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，以上的孔。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。活性层和过度层。34第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术5.4.5 反渗透技术反渗透技术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。人类很早以前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用渗透或反渗透分离物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
33、经发展成为一种普遍使用质。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。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。法不可比拟的优势。35第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 渗透和反渗透的原理如渗透和反渗透的原理如图图44所示。如果用一所示。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张只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浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低
34、浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称称渗透渗透（图（图44a）。这一过程的推动力是低浓度溶。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，液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图（图44b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，
35、渗透通量为零。通量为零。36第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术图图44 渗透与反渗透原理示意图渗透与反渗透原理示意图37第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液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，则高浓度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，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44c）。）。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
36、量一般小于500，操作压力为操作压力为 2100MPa。用于实施反渗透操作的膜为用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜反渗透膜。反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜，大部分为不对称膜，孔径小于孔径小于0.5nm，可截留溶质，可截留溶质分子。分子。38第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 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、芳香醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚族聚酰胺、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，主要有反渗透膜的分离机理至今尚
37、有许多争论，主要有氢键理论、选择吸附氢键理论、选择吸附毛细管流动理论、溶解扩散毛细管流动理论、溶解扩散理论等。理论等。39第五章第五章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特点微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特点比较如表比较如表45所示。所示。表表45 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、复合膜等表面致密的非对称膜、复合膜等非对称膜，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
38、纤维素、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、PVC等等操作压力操作压力/MPa21000.10.50.010.2分离的物质分离的物质分子量小于分子量小于500的小分子物质的小分子物质分子量大于分子量大于500的大分子和的大分子和细小胶体微粒细小胶体微粒0.110m的粒子的粒子分离机理分离机理非简单筛分，膜的物化性能对分离非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用起主要作用筛分，膜的物化性能对分筛分，膜的物化性能对分离起一定作用离起一定作用筛分，膜的物理结构筛分，膜的物理结构对分离起决定作用对分离起决定作用水的渗透通量水的渗透通量/(m5.m-2.d-1)0.12.50.5520200
