1、8/6/20221第三章第三章 离子交换膜及分离膜离子交换膜及分离膜8/6/20222第一节离子交换膜第一节离子交换膜 1.1 概述概述 五十年代合成离子交换树脂取得成功之后，五十年代合成离子交换树脂取得成功之后，就利用粘合剂把离子交换树脂细粉粘合起来制成就利用粘合剂把离子交换树脂细粉粘合起来制成膜型，从而为制备具有实用价值的选择透过性膜膜型，从而为制备具有实用价值的选择透过性膜提供了条件。由于制膜的主要原料是离子交换树提供了条件。由于制膜的主要原料是离子交换树脂，故称为离子交换（树脂）膜。脂，故称为离子交换（树脂）膜。8/6/202231.2 膜体结构和分类膜体结构和分类 膜体结构膜体结构
2、图例图例1 R*SO3-H+(Na+)R*N+(CH3)3OH-(Cl-)固定基团解离离子固定基团解离离子（或称反离子）（或称反离子）磺酸型阳离子交换膜季铵型阴离子交换膜*表示大分子结构8/6/20224图例2 异相离子交换膜体结构示意图1-粘合剂2-离子交换树脂粒8/6/20225图例3SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+SO3_+磺酸型阳离子交换膜的膜体结构示意图RSO2固定基团 ；+解离离子8/6/20226图例4 磺酸型阳离子交换膜曲折通道示意图RSO2固定基团 ；+解离离子8/6/20227膜的分类膜的分类 阳离子交换膜
3、有强酸膜，中等酸度膜和弱酸膜三种。阴离子交换膜有强碱，中等碱和弱碱膜三种。特殊性能的膜有表面涂层膜，双极膜，两性膜及镶嵌膜。按用途分类，有电解槽隔膜，电池隔膜，渗透膜，电渗析膜，人工肾膜及仿生膜等。8/6/202282.3 离子交换膜的选择透过现象图例5半透膜(I)(II)RA-NaRA-Na图2-6 Na+离子和Cl-离子在半透膜两侧互相碰撞示意图刚果红钠盐(I)室刚果红钠盐溶液(II)室NaCl溶液Na+Cl-Cl-Na+Cl-Na+8/6/20229 图例6苯乙烯-二乙烯基苯共聚物SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-N
4、a+SO3-Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-磺酸型阳膜在NaCl稀溶液中平衡示意图RSO-固定基团 ；Na+解离子8/6/202210 图例7苯乙烯-二乙烯基苯共聚物SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+SO3-Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-磺酸型阳膜在NaCl浓溶液中平衡示意图RSO3-固定基团 ；Na+解离子Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl
5、-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+8/6/2022112.4 离子交换膜的一般性能和用途离子交换膜的一般性能和用途 离子交换膜的一般性能，常用物理、化学、电离子交换膜的一般性能，常用物理、化学、电化学性能表示：化学性能表示：应平整，均一，无针孔，并且有一定的机械强度和柔韧性。应平整，均一，无针孔，并且有一定的机械强度和柔韧性。应具有必要的选择透过性，这就要求有较高的交换容量。应具有必要的选择透过性，这就要求有较高的交换容量。应具有较高的导电性能，特别是应用在传导电流的设备中。应具有较高的导电性能，特别是应用在传导电流的设备中。应具有较好的形态稳定性，故膜的溶胀度不应太大。应具有较好的形态稳定性，
6、故膜的溶胀度不应太大。应具有耐高温，抗氧化，抗酸（或碱）腐蚀及耐有机溶剂等性能。应具有耐高温，抗氧化，抗酸（或碱）腐蚀及耐有机溶剂等性能。离子交换膜在各个方面的应用离子交换膜在各个方面的应用 脱盐或纯化脱盐或纯化 浓缩或分离浓缩或分离 置换置换 水解水解 复分解复分解 电解、氧化、还原以及电化合成电解、氧化、还原以及电化合成8/6/2022128/6/202213电渗析器，异相离子交换膜离子交换膜 引自百度8/6/202214电解食盐水装置引自百度8/6/202215管状离子交换膜管状离子交换膜 引自百度8/6/202216质子交换膜燃料电池工作原理 引自百度8/6/202217引自百度8/6
7、/202218第二节第二节 高分子分离膜高分子分离膜2.1 概述概述2.1.1 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完全透过性的，
8、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。8/6/202219 随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广度的开拓，物质的分离已成为重要的研究课题。分度的开拓，物质的分离已成为重要的研究课题。分离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离；异离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离；异种物质的分离；不同物质状态的分离等。种物质的分离；不同物质状态的分离等。在化工单元操作中，常见的分离方法有筛分、在化
9、工单元操作中，常见的分离方法有筛分、过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。实用价值。8/6/202220 具有选择分离功能的高分子材料的出现，使上具有选择分离功能的高分子材料的出现，使上述的分离问题迎刃而解。膜分离过程的主要特点是述的分离问题迎刃而解。膜分离过程的主要特点是以
10、具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质分子尺寸的分离和混合物组分的分离。膜分离过程分子尺寸的分离和混合物组分的分离。膜分离过程的推动力有浓度差、压力差和电位差等。膜分离过的推动力有浓度差、压力差和电位差等。膜分离过程可概述为以下三种形式：程可概述为以下三种形式：渗析式膜分离渗析式膜分离 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渗析和电渗析等；属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析等；8/6/202221 过
11、滤式膜分离过滤式膜分离 利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过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。属于过滤式膜分膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等；离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等；液膜分离液膜分离 液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过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组合。溶质液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接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。受液相当于反萃取。8/6/202222
12、膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分离技术。膜分离过程的共同优点是成本低、能耗离技术。膜分离过程的共同优点是成本低、能耗少、效率高、无污染并可回收有用物质，特别适合少、效率高、无污染并可回收有用物质，特别适合于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、生物物质组分等混合物的分离，因而在某些应用中生物物质组分等混合物的分离，因而在某些应用中能代替蒸馏、萃取、蒸发、吸附等化工单元操作。能代替蒸馏、萃取、蒸发、吸附等化工单元操
13、作。实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到较实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到较好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合起来使用，使技术投资更为经济。起来使用，使技术投资更为经济。8/6/202223 膜分离过程没有相的变化膜分离过程没有相的变化(渗透蒸发膜除外渗透蒸发膜除外)，常温下即可操作；由于避免了高温操作，所浓缩常温下即可操作；由于避免了高温操作，所浓缩和富集物质的性质不容易发生变化，因此在膜分和富集物质的性质不容易发生变化，因此在膜分离过
14、程食品、医药等行业使用具有独特的优点；离过程食品、医药等行业使用具有独特的优点；膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。由及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。由于上述优点，近二三十年来，膜科学和膜技术发于上述优点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日常生活中不可缺少的分离方法，越来技和人民日常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用于越广泛地应用于化工、环保、食品、医药、电子、化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、
15、轻纺、海水淡化电力、冶金、轻纺、海水淡化等领域。等领域。8/6/2022242.1.2 膜分离技术发展简史膜分离技术发展简史 高分子膜的分离功能很早就已发现。高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，年，耐克特（耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。1861年，施年，施密特（密特（A.Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤 时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差
16、，时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。8/6/202225 然而，真正意义上的分离膜出现在然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪世纪60年年 代。代。1961年，年，米切利斯米切利斯（A.S.Michealis）等人用）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水丙酮丙酮溴化钠为溶剂，制
17、成了可截留不同分子量的膜，溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。这种膜是真正的超过滤膜。美国美国Amicon公司公司首先将首先将这种膜商品化。这种膜商品化。50年代初，为从海水或苦咸水中获年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。取淡水，开始了反渗透膜的研究。1967年，年，Du Pont公司公司研制成功了以尼龙研制成功了以尼龙66为主要组分的中空纤维反为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，渗透膜组件。同一时期，丹麦丹麦DDS公司公司研制成功平板研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。8/6/2022
18、26 自上世纪自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称超过滤膜（简称UF 膜）、微孔过滤膜（简称膜）、微孔过滤膜（简称 MF 膜）和反渗透膜膜）和反渗透膜（简称（简称RO膜）膜）。以后又开发了许多其它类型的分离。以后又开发了许多其它类型的分离膜。膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。获得很大的发展。80年代年代气体分离膜气体分离膜的研制成功，的研制成功，使功能膜的地位又得到了进使功能膜的地位又得到了进步提高。步提高。8/6/20
19、2227 具有分离选择性的人造液膜是具有分离选择性的人造液膜是马丁马丁（Martin）在在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。在固体膜之上的，为支撑液膜。60年代中期，美籍年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。年获得纯粹液膜的第一项专利。70年年代初，代初，卡斯勒卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体）又研制成功
20、含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。由于膜分离技术具有高效、节能、高选择、多由于膜分离技术具有高效、节能、高选择、多功能等特点，分离膜已成为上一世纪以来发展极为功能等特点，分离膜已成为上一世纪以来发展极为迅速的一种功能性高分子。迅速的一种功能性高分子。8/6/2022282.1.3 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
21、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8/6/2022292.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，可将根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜、超
22、过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。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，可将其分为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、中对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。空纤维膜等。8/6/2022304.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（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学
23、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。8/6/2022312.1.4 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分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过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
24、择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表所示。种主要的膜分离过程及其传递机理如表所示。8/6/202232 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形状分子特性大小形状水、溶剂小分子水、溶剂小分子胶体和超过胶体和超过截留分子量截留分子量的分子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荷离子大小及电荷水、一价离子、水、一价离子、多价离子多价离子
25、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递溶剂的扩散传递水、溶剂水、溶剂溶质、盐溶质、盐非对称性膜复非对称性膜复合膜合膜8/6/202233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传递溶质的扩散传递低分子量物、离子低分子量物、离子溶剂溶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
26、蒸汽体或蒸汽均相膜、复均相膜、复合合膜，非对称膜，非对称膜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溶剂易渗溶质或溶剂难渗透性溶难渗透性溶质或溶剂质或溶剂均相膜、复均相膜、复合合膜，非对称膜，非对称膜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、乳状液膜、支支撑液膜撑液膜续上表续上表8/6/2022342.2 膜材料及膜的制备膜材料及膜的制备2.2.1 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
27、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。8/6/202235 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：纤纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约来，其中约40
28、多种已被用于工业和实验室中。多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占以日本为例，纤维素酯类膜占 53，聚砜膜，聚砜膜占占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其他材料的，其他材料的膜占膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中占，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。主要地位。8/6/2022361.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，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 HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOO
29、HOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_228/6/202237 从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。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三醋酸纤维素。素或三醋酸纤维素。C6H7O2 +(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 +H2O C6H7O2 +3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 +2 CH2COOH8/6/202238 醋酸纤维素是当今最
30、重要的膜材料之一。醋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
31、料易受微生物侵蚀，pH值适应范值适应范围较窄，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。8/6/2022392.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；高的抗压密性和耐热性；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聚
32、砜、常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。8/6/202240（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，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。进行磺化。聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：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、二甲基亚砜等。甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。SOO8/6/202241
33、聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定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，性，强度也很高，pH值适应范围为值适应范围为113，最高使，最高使用温度达用温度达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，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：目前的代表品种有：8/6/202242OCCH3CH3OS聚 砜聚 芳 砜聚 醚 砜聚苯醚砜OOnOnSOOSOOOnSOOOnSOOO8/6/202243 （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
34、龙 6、尼龙、尼龙66等制成的中空纤维膜。这类产品对等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在盐水的分离率在8090之间，但透水率很低，之间，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，分离率可达离率可达99.5（对盐水），透水速率为（对盐水），透水速率为0.6 ml/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与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。8/6/202244 Du Pont公司
35、生产的公司生产的DPI型膜型膜即为由此类膜材即为由此类膜材料制成的，它的合成路线如下式所示：料制成的，它的合成路线如下式所示：H2NnCONHNH2Cl+nCOCClNHCONHNHCCnDMACOOO8/6/202245 类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：NHCONHNHCOnNHCONHNHCONHCOCOn8/6/202246 （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
36、+nOCOCOONNCHNNCH+2 nOH+2 n H2On8/6/202247 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。NCONHSO2HNNCOn8/6/202248 聚吡嗪酰胺类聚吡嗪酰胺类 这类膜材料可用界面缩聚方法制得，反应式为：这类膜材料可用界面缩聚方法制得，反应式为：nClCOCHClCOCH+nHNNHRR界面缩聚COCHCOCHNNRR+2nHCln8/6/202249
37、 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。NCCOONCCOOArn8/6/202250 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，
38、其结构为：，其结构为：NCCOOCH2CHRNCCOOCH2CHn8/6/202251 （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
39、合物膜。8/6/202252OCH3H3CHClSO3SO3HHCl+CH3OH3C+nnCCH3CH3OSOOOHClSO3+nCCH3CH3OSOOOnSO3H8/6/202253 （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、聚丙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。物也可用作膜材料。8/6/2022548/6/202255引自baidu
