膜科学分离技术课件

高分子分离膜材料的分子设计1Contents1.高分子分离膜简介2.高分子分离膜材料3.高分子膜材料分子设计4.总结与展望21.高分子分离膜简介定义：由聚合物或高分子复合材料制得的具有分离流体混合物功能的选择性半透膜。分离过程驱动力：浓度差压力差电位差3S.Chouetal./JournalofMembraneScience389(2012)25–33L.Shietal./JournalofMembraneScience382(2011)116–123119.5表1几种常见分离过程比较膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型微滤压力差颗粒大小形状水、溶剂溶解物悬浮物颗粒纤维多孔膜超滤压力差分子特性大小形状水、溶剂小分子胶体和超过截留分子量的分子非对称性膜纳滤压力差离子大小及电荷水、一价离子、多价离子有机物复合膜反渗透压力差溶剂的扩散传递水、溶剂溶质、盐非对称性膜复合膜渗析浓度差溶质的扩散传递低分子量物、离子溶剂非对称性膜电渗析电位差电解质离子的选择传递电解质离子非电解质，大分子物质离子交换膜气体分离压力差气体和蒸汽的扩散渗透气体或蒸汽难渗透性气体或蒸汽均相膜、复合膜，非对称膜渗透蒸发压力差选择传递易渗溶质或溶剂难渗透性溶质或溶剂均相膜、复合膜，非对称膜液膜分离浓度差反应促进和扩散传递杂质溶剂乳状液膜、支撑液膜6MenachemElimelechYaleUniversityTonyFaneWangRongSingaporeMembraneTechnologyCenter(NTU)Tai-ShungChung

NUS

徐南平院士南京工业大学

高从堦院士中国海洋大学

李圭白院士哈尔滨工业大学袁权院士中科院大连化物所7

徐铜文中国科技大学褚良银四川大学

徐志康浙江大学

肖长发天津工业大学徐又一浙江大学82.高分子分离膜材料1.纤维素衍生物

包括纤维素的酯和醚，如乙酸纤维素、竣甲基纤维素和甲基纤维素等。优点：原料易得，成膜性好。透析、微滤、超滤、反渗透和膜电泳。

缺点：易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。10125.含氟高分子

包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟代的磺酸树脂和全氟代羧酸树脂，Dupont公司产品Nafion膜。耐腐蚀性能突出，特别适合高腐蚀性场合，如氯碱工业、电解和燃料电池。6.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力。聚酰亚胺溶解性一般差，制膜困难。对分离氢气有很高效率的聚酰亚胺膜可溶性聚酰亚胺147.芳香杂环类聚苯并咪唑类（PBI）聚苯并咪唑酮类聚吡嗪酰胺类美国Celanese公司研制日本帝人公司生产158.聚电解质类163.高分子膜材料分子设计高分子膜要求：选择性好、通量高，又有足够的机械强度及耐热性和耐化学性。亲水性稳定性通量/选择性17基本原理：在分子主链上引进强极性/亲水性基团，如-OH、-COOH、-SO3H、-NH2等。3.1.1接枝/共聚共聚/接枝亲水单元：丙烯酸、季铵盐单体、丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、马来酸酐、磺酸盐单体、乙烯基吡啶等。3.1亲水性18Fig3ThecurvesofMnanduversusconversionofAM.J.Qiuetal./AppliedSurfaceScience256(2010)3274–3280203.1.2化学反应YoungHoonCho,JournalofMembraneScience445(2013)220–227.P.SZhang,EnvironmentalScience&Technology,2013,47,7430−7436.213.2稳定性

化学稳定性热稳定性机械稳定性途径：共混/掺杂交联233.2.1掺杂/共混混合基质膜（MixedMatrixMembrane）/有机-无机杂化膜（Organic-inorganicmembraen）:无机纳米粒子石墨烯/氧化石墨烯分子筛/沸石/MOF碳纳米管通过分子间键联形成的分子水平杂化通过范德华分子间力或氢键联结有机无机部分而形成的均匀混合型杂化膜材料(弱键合)兼具无机膜和有机膜的优点：化学稳定性好、耐酸碱、耐高温、机械强度大；易脆、不易加工。柔韧性好、透气性高、密度低；耐溶剂、耐腐蚀、耐温度性差。24NXWang,ChemicalEngineeringJournal,213(2012)318–329Fig5(a)TGAcurvesofPEI/PAAcomplexand(PEI-modifiedGO)/PAAnanohybridcomplex.263.2.2交联Fig6Chemicalcross-linkingprocess.Y.Liuetal./JournalofMembraneScience189(2001)231–23927Fig7Chemicalstructureandreactionmodelforcrosslinkingchitosan.Y.-L.Liuetal./JournalofMembraneScience251(2005)233–238chitosan28Fig9Mechanismofchemicalcross-linkingmodification.Y.Liuetal./JournalofMembraneScience189(2001)231–23930Fig10ThecrosslinkingofPEIandPSS.313.5通量/选择性Flux/Selectivity=Trade-offrelationship影响因素：自由体积链段侧链32图11芳香二酐和芳香二胺单体的化学结构李悦生,聚酰亚胺气体分离膜材料的结构与性能,高分子通报,3(1998)1-8.33李悦生,聚酰亚胺气体分离膜材料的结构与性能,高分子通报,3(1998)1-8.343,3′-联接二酐合成的聚酰亚胺比由4,4′-联接二酐合成的聚酰亚胺具有更高的透气性和较低的透气选择性。异构化二酐合成的聚酰亚胺气体分离性能的差异主要是由自由体积所决定的。自由体积越大，通量越大，选择性越低；35图12间苯二胺的氨基邻位甲基取代对HQDPA型聚酰亚胺透气性能的影响。氨基邻位甲基取代可增大聚酰亚胺的自由体积,同时也能减小聚酰亚胺的链段及侧基的局部运动能力,改善透气性,但透气选择性随之减小。链段及侧基局部运动越低，通量大，选择性低。36分子间作用力强，或者分子间交联，导致聚合物的链段及侧基的局部运动能力降低，透气性低，选择性高；分子链上存在较大的侧基或侧链，分子的自由体积大，透气性高，选择性低；刚性结构或者规整性好的紧