膜的特性及传递模型

膜的特性及传递模型第一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一膜分离特点

※膜的种类、孔径可以根据需要选择

※不管流有多强，膜对于阻止大的粒子或分子透过的能力是很强的。

※

把产物分在两侧，很容易收集样品

※

节能、环保第二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一§3.1概述

所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。

膜的特性：◆不管膜多薄,它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触◆膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。膜是什么？有何特性？第三页，共二十五页，编辑于2023年，星期一膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。膜上游

透膜

膜下游选择性透膜第四页，共二十五页，编辑于2023年，星期一

膜分离的物理化学原理截流机理和筛孔效应渗透和渗透压Donnan效应机械截留（筛孔效应）物理作用或吸附截留架桥作用网络内部截流第五页，共二十五页，编辑于2023年，星期一3.2.1.膜的种类及制备方法按材料的来源可分为天然生物膜与人工合成膜；按膜分离过程的推动力可分为压力差、电位差、浓度差、温度差等膜；按膜的结构可分为对称和非对称膜两大类，其中非对称膜还可细分为多孔膜、叠合膜以及复合膜等。第六页，共二十五页，编辑于2023年，星期一

分离膜种类分离膜高分子膜液体膜生物膜带电膜非带电膜阳离子膜阴离子膜过滤膜精密过滤膜超滤膜反渗透膜纳米滤膜第七页，共二十五页，编辑于2023年，星期一

第八页，共二十五页，编辑于2023年，星期一2.膜材料及制膜方法膜过程

膜材料

微滤聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯聚碳酸酯、聚（醚）砜、聚（醚）酰亚胺、聚醚醚酮等氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅

超滤聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈、聚（醚）酰亚胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纤维素类等氧化铝、氧化锆纳滤聚酰（亚）胺

反渗透二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚芬香酰胺类、聚合苯并咪唑（酮）聚酰（亚）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等电渗析膜电解含有离子基团的聚电解质：磺酸型、季胺型等四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟单体共聚物渗透气化弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺

气体分离弹性态聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯玻璃态聚合物：聚酰亚胺、聚砜膜接触器疏水聚合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯渗析亲水聚合物：再生纤维素、醋酸纤维素、乙烯－乙烯醇共聚物、乙烯－醋酸乙烯酯共聚物第九页，共二十五页，编辑于2023年，星期一3.2.1.3离子交换膜

在直流电场的作用下,溶液中的离子透过膜的迁移称为电渗析。电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的离子交换膜(ChargedMembranes)。用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。

为什么离子交换膜具有选择性呢？离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂。它分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种。离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用。第十页，共二十五页，编辑于2023年，星期一正极阴离子交换膜负极+固定离子Cl-Na+-第十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一

高分子膜中间有足够大的孔隙，水中的离子在膜孔隙通道（比膜厚度大得多）中电迁移运动。例如，在水溶液中,阴离子交换膜的活性基团会发生离解，留下的是带正电荷的固定基团，构成了强烈的正电场。在外加直流电场作用下，根据异电相吸原理，溶液中带负电的阴离子就可被它吸引、传递而通过离子交换膜到另一侧，而带正电荷的阳离子则离子膜上固定负电荷基团的排斥不能通过交换膜。第十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一

在电渗析过程中,膜的作用并不象离子交换树脂那样对溶液中的某种离子起交换作用,而是对不同电性的离子起选择透过作用,因而离子交换膜实际上应称为离子选择性透过膜。

应用举例中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分。纯水制备：电渗析制备初级水,可去盐80-90%；再用离子交换除盐10-20%制备高级水。这样既降低成本,又减少污染。水污染处理：如回收镀镍废水等等第十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期一3.2.2相转化制膜的机理用相转化制备聚合物膜的方法有双组分或多组分均相溶液的热凝胶、从三组分聚合物中蒸发挥发溶剂、均相聚合物溶液中添加非溶剂等三种方法。

3.2.2.1双组分或多组分均相溶液的热凝胶P40图3-83.2.2.3从三组分聚合物溶液中蒸发挥发性溶剂图3-93.2.2.3均相聚合物溶液中添加非溶剂图3-10第十四页，共二十五页，编辑于2023年，星期一3.2.3影响膜渗透性质的各种因素一般情况下,膜的渗透速率越大,不同组分透过膜的渗透速率差就越小,这对实际分离是非常不利聚合物膜对气体或液体的渗透过程通常以溶解-扩散机理来解释。如气体分子首先溶解于膜的高压侧表面，然后在膜内扩散，再从膜的低压侧溶解出来。由费克定律可知，气体分子在膜中的扩散通量或渗透率为：

J=-D（dc/dz）若气体溶于膜中的浓度C与气体压力P之间服从亨利定律即：

C=Sp

则有J=

第十五页，共二十五页，编辑于2023年，星期一由此可计算出平均渗透系数若扩散系数和溶解度系数与压力无关，则有：P：渗透系数；S：溶解度系数；D：扩散系数

P=DS第十六页，共二十五页，编辑于2023年，星期一3.2.3.1温度、压力的影响影响渗透率的因素应该包括以下几个方面：温度、压力、浓度、膜本身的性能、当然还有驱动力。在一定的温度范围内，可用Arrhenius方程来描述温度对渗透系数、扩散系数、溶解度系数的影响。

P=P0exp[（-Ep/RT）]；

D=D0exp[（-Ed/RT）]；

S=S0exp[（-△Hs/RT）]P=DS；P0=D0S0；Ep=Ed+△Hs第十七页，共二十五页，编辑于2023年，星期一

一般情况下，扩散系数和渗透系数都随之升高，但温度对S的影响比较复杂。当溶解在聚合物膜内的组分是蒸气时，有

混合热主要与渗透组分和聚合物膜的凝聚密度有关第十八页，共二十五页，编辑于2023年，星期一3.2.3.2溶液性质的影响渗透组分在膜内的扩散系数随组分分子体积的大小和形状而变。渗透组分的成分和浓度对渗透速率及渗透选择性也有很大影响。气体在膜内的溶解度可以用亨利定律来表示。第十九页，共二十五页，编辑于2023年，星期一对一般蒸气和液体，浓度对D和S的影响可以用温度影响类似公式来表示

D=D0exp（AC）

S=S0exp（σC）A,σ:特性参数;C:溶液浓度

对双组分体系,可把扩散系数表示为两组分浓度的指数函数:

Di=D0iexp(AiiCi+AijCj)

Dj=D0jexp(AjiCi+AjjCj)第二十页，共二十五页，编辑于2023年，星期一3.2.3.3聚合物膜结构对渗透性质的影响聚合物指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量(通常可达104～106)化合物。例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元—CH2CHCl—重复连接而成，因此—CH2CHCl—又称为结构单元或链节。由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体，是合成聚合物的原料。聚氯乙烯可缩写成：

[—CH2CHCl—]n

第二十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一n代表重复单元数，又称聚合度，聚合度是衡量高分子聚合物的重要指标。聚合度很低的(1～100)的聚合物称为低聚物，只有当分子量高达104～106(如塑料、橡胶、纤维等)才称为高分子聚合物。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物，如上述的聚氯乙烯、聚乙烯等。由两种以上单体共聚而成的聚合物则称为共聚物，如氯乙烯—醋酸乙烯共聚物等第二十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度。结构不规整或链间次价力较弱的聚合物(如聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等)难以结晶，一般为不定型态。无定型聚合物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度(Tg)，是无定型塑料使用的上限，橡胶使用的是下限温度。从高弹态到黏流态的转变温度称黏流温度(Tf)，是聚合物加工成型的重要参数。

第二十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期一当聚合处于玻璃态时，整个大分子链和链段的运动均被冻结，宏观性质为硬、脆、