大学功能高分子材料经典课件——高聚物膜

1、 本章要点本章要点一、引言： 膜过滤-混合物通过半渗膜进行分离的过程。 #普通的真空抽滤，过滤（滤纸、滤布） #肾脏膜的选择性。u很久以前，人们对天然半透膜（天然半透膜（如膀胱膜、细胞壁）的渗透性质进行了充分研究，但这些传统的膜难以在工业上应用。u1950年代成功合成了高分子膜高分子膜，获得了离子交换膜技术、扩散渗析技术、反渗透技术、超滤技术，为分离胶体溶液、悬浮液、细菌体和大规模制盐提供了分离手段 。 u过去的高分子膜只能用于水溶液，近年又开发出有机溶剂的分离膜。u最近，国内外正在开发各种生物体膜，能量变换等高级的功能膜。 微滤（微滤（MF）：以多孔薄膜为过滤介质，压差为推动力，使不溶性物质

2、不溶性物质得以分离。孔径0.02514m。 超滤（超滤（UF）：孔径更小，为0.0010.02 m，推动力为压力差，适于酶、蛋白质等生物大分子的分离。 反渗透（反渗透（RO）：压差为推动力，从溶液中分离出溶剂的操作，孔径在0.00010.001 m之间。（由于溶剂分子很小，不能忽略渗透压作用，故称为反渗透） 纳滤纳滤：压差为推动力，从溶液中分离3001000小分子量物质的膜分离过程，孔径分布在平均2nm； 电渗析电渗析：电位差电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；膜的类别膜的类别应用方法应用方法功能功能推动力推动力溶质溶质离子交换膜离子交换膜电渗析电

3、渗析技术技术电解质的脱盐电解质的脱盐 、浓缩、浓缩膜的离子选择透过膜的离子选择透过性及电位差性及电位差无机盐无机盐渗透膜渗透膜扩散渗析扩散渗析技术技术无机盐的分离，无机盐的分离，低分子与高分子低分子与高分子的分离的分离膜的选择透过性及膜的选择透过性及浓差浓差无机盐、碱无机盐、碱、盐，低、盐，低、高分子高分子微孔的高分微孔的高分子膜子膜微滤技术微滤技术脱除悬浮质胶体脱除悬浮质胶体粒子粒子压力差压力差(0.1MPa) 悬浮质、胶悬浮质、胶体粒子体粒子超滤膜超滤膜超滤技术超滤技术溶质分子按大小溶质分子按大小筛分并精制筛分并精制压力差（压力差（0.1-1MPa）M50030万万反渗透膜反渗透膜反渗透反

4、渗透技术技术水的分离与溶质水的分离与溶质的浓缩的浓缩膜对水的选择透过膜对水的选择透过性及压力差（性及压力差（0.020.1MPa）低分子、无低分子、无机离子机离子0.11.010100100010000反渗透超滤微滤氢离子无机离子低分子有机物高分子胶体病毒细菌悬浊物微细油珠（纳米）高聚物膜微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐单价盐水AWJw121cccR行行 业业处理对象处理对象行行 业业处理对象处理对象制药工业制药工业母液中有效成分的回收母液中有效成分的回收抗菌素的分离纯化抗菌素的分离纯化维生素的分离纯化维生素的分离纯化氨基酸的脱盐与纯化氨基酸的脱盐与纯化

5、化工行业化工行业酸碱纯化、回收酸碱纯化、回收电镀液中铜的回收电镀液中铜的回收食品工业食品工业乳清脱盐与浓缩乳清脱盐与浓缩苛性碱回收苛性碱回收纯水制备纯水制备超高纯水超高纯水水的脱盐水的脱盐地下水的净化地下水的净化染料工业染料工业活性染料的脱盐与回收活性染料的脱盐与回收废水处理废水处理印染厂废水脱色印染厂废水脱色造纸厂废水净化造纸厂废水净化三、应用：u与水有关u地球面积的71%被水体所覆盖，97%是海水，3%是淡水，只有1%可利用，26个国家严重缺水，世界用水量每15年就翻一翻，每年有1500万人因缺水，饮污染了的水而死亡。u缺水的原因；人多、污染和破坏、工业发达、用水量剧增、人类自己搞的工业污

6、染，使大量的淡水无法利用。u开源、节水、开发新淡水资源海水淡化。u治污：其实污水中毒物的含量很小，有时PPm、PPb级，蒸溜浓缩不行。1、 反渗透技术用于海水淡化：反渗透技术用于海水淡化： 中东国家极其缺水，产油国又有大量的资金，海水淡化工程最多。 如沙特，大半国土被沙漠覆盖，水资源极其缺乏，但1980年代以来农业发展迅速，粮食自足，1991年小麦出口居世界第6位。 产生这一奇迹的原因是：向大海要淡水向大海要淡水。u沙特：拥有23家大型现代化海水淡化工厂，有世界最大的海水淡化 厂，日产淡水13.18亿升。u 1990年代初，世界上有8000多个海水淡化厂，分布120多国家。u 过去阿拉伯国家烧

7、石油发电、蒸馏，日产万吨淡水的海水淡化工厂，投资107亿元，每吨水7元；现在反渗透日产万吨的装置，投资8000万元，每吨水的成本4元。u2、膜过滤用于污水处理、膜过滤用于污水处理ua、反渗透法处理污水 u用反渗透法处理合适污水中污染物很少，一般PPM级。 如：丹麦的DDS公司，生产过程中产生了含溶剂0.520%和少量盐的废水，过去因水量太大，处理费用太高。用反渗透法处理，将有机物浓缩后，再将少量的浓缩水送污水处理厂，大大降低了处理费用。ub、超滤处理污水：u 秦皇岛玻璃纤维厂：用超滤处理废水（含离子、平平加）。uc、浓缩油乳液：u3、制药工业：、制药工业：u生产杆菌肽、四环素、链霉素、新霉素、

8、胰岛素、无热源水。u4、生物技术：、生物技术：u超滤技术，除掉微生物，制酶、多糖、氨基酸。过程应用对象实 例微滤消毒、澄清收集细胞培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集超滤大分子物质分离酶及蛋白质的分离、浓缩、纯化，血浆分离、脱盐、去热源，膜反应器纳滤小分子物质分离糖，二价盐、游离酸的分离反渗透小分子物质浓缩单加盐、非游离酸的分离透析小分子有机物和无机离子脱除小分子有机物或无机离子u5、食品工业和饮料工业、食品工业和饮料工业u超滤和反渗透技术广泛应用于乳品、食品工业、生产蛋白质和多糖等。ua、浓缩食品和饮料：u许多饮料通常是在一个地区生产而运到另一个地区销售，在运输之前将其浓缩，减轻运输费用。如可

9、口可乐。如可口可乐。u该法能耗低，热效应温和（低热不会破坏维生素等营养）。 如，用超滤和反渗透技术处理鸡蛋，蛋清可以从12%浓缩到20%；牛奶从27%浓缩到50% 。uc、浓缩啤酒、葡萄酒、果汁。ub、超滤浓缩血浆、明胶。u6、人造器官用：、人造器官用：人工肺、人工肾等的膜。7、气体渗透、气体渗透u利用有机膜对某些气体具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化的目的。u应用应用: :空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的渗透速率,使得当压缩空气经过滤器进入分离器时,氧气、水蒸气及少量的二氧化碳快速透过膜的高压侧,而氮气透过膜的相对速率慢而滞留在膜的内侧被富集,从而产生干燥的氮气。气体渗透分

10、离空气中的氮气体渗透分离空气中的氮四、高聚物膜结构和分子设计高分子膜开发热点开发热点： a. 海水的淡化，污水处理。 b.传统产品生产工艺的革新。 c.医用。膜的选择性、透过性取决于高分子结构、膜结构1.与膜性能有关的结构因素：a.化学结构 b.结晶度 c.显微结构u膜具有功能性、强度、成膜性u膜高分子的化学结构：u电渗析膜：SO3Na、SO3H 、普通高分子骨架，六十年代开发了全氟磺酸树脂膜是四氟乙烯和全氟乙烯磺酸的共聚物： 线型 耐热性 耐化学性u扩散渗析膜：有聚乙烯醇系中空纤维扩散膜u微滤膜：膜上的微孔径分布在0.03至10之间，可筛分溶质微粒，要求膜微孔尺寸较密，滤过速度快，滤过滤精度

11、高，耐化学药品性、耐热性、机械强度高、生物学惰性好。 微滤膜的膜成份：聚碳酸酯、纤维素酯、三醋纤维酯、聚氯乙烯、氟化聚乙烯、氯乙烯丙烯酸共聚体、聚酰胺、氯乙烯乙烯基树脂和聚丙烯等。u 超滤膜：用于分子量为500至100万之间的分级。 膜材料有醋酸纤维素，聚酰亚胺，聚丙烯腈，聚醋酸乙烯，丙烯酸盐与氯乙烯 共聚物等。u反渗透膜：醋酸纤维素膜、芳香族聚酰胺、聚苯并味唑、磺化聚苯撑氧、聚酰胺羧酸、聚乙烯亚胺、聚甲苯二异氰酸脂、氰乙基化聚乙烯亚胺。u气体分离膜：如 富氧膜、有机硅-碳酸酯共聚物。OHOOHOAcOCH2OAcOAcOHCH2OAcOAcO一些膜材料的化学结构式：2，5醋酸纤维素（Ac乙酰

12、基)NHONHCNHCOCO聚酰胺酰肼CNONRCONCNNRS聚哌酰胺HO3SCCH3OSO3HSOCH3OSO3HO芳香族聚酚的磺化物CCH3OCH3OCnOOCH2CH2(O)xCOm聚碳酸酯环氧乙烷嵌段共聚物CH CH2CH2CHCHCH2CH2CH CH2N(CH3)3SO3+SO3N(CH3)3CH2高分子电解质复合物u在化学结构方面：分子极性和位阻效应是影响膜性能的主要因素，分子极性可用电荷密度、偶极距、氢键能等作尺度来衡量，位阻效应是链间的距离，链的挠曲性。u 膜的选择性和透过性是由膜的结构（化学结构和立体结构）和溶质、溶剂的结构以及它们之间的相互作用所决定的。u 如以水为透过分子时，水是以由氢键连结起来的缔合体形式存在的，缔合体的大小，是决定于温度以及溶于水中的溶质种类，溶质或膜分子如果是憎水性的，那么水的缔合体变大，水的透过性就变坏。 而-COOH , -NH2 , -OH , -CHO ,等中等程度的极性基团则与水分子相互间发生聚集的倾向竞相争夺水，结果水的复合体被破坏，水容易透过膜。（因为水是小分子，所以，以水为中心的缔合体和以膜分子中的极性基团为中心的缔合体有可动性受拘束较大的