高分子功能膜 (PPTminimizer)

功能高分子

高分子功能膜

2023/10/12主要内容一高分子功能膜分类二高分子功能膜制备方法三膜分离过程四膜过程和其他化工过程的联用膜分离过程应用其他功能膜2023/10/12高分子功能膜定义高分子功能膜是一种具有选择性透过能力的膜型材料，也是具有特殊传质功能的高分子材料，通常称为分离膜，也称功能膜。用膜分离物质一般不发生相变、不耗费相变能，同时具有较好的选择性，且膜把产物分在两侧，很容易收集，是一种能耗低，效率高的分离材料，从功能上来说，高分子分离膜具有物质分离、识别物质，能量转化和物质转化等功能。利用其在不同条件下显出的特殊性质，已经在许多领域获得应用。

2023/10/12一、高分子功能膜分类

混合物分离分离膜使用功能划分药物释放缓释膜分割作用保护膜气体分离膜高液体分离膜分根据被分离物质性质固体分离膜子离子分离膜功微生物分离膜能被分离物质粒度大小超细滤膜、超滤膜、微滤膜膜沉积膜熔融拉伸膜膜形成过程溶剂注膜界面膜动态形成膜密度膜根据膜性质相变形成膜乳化膜多孔膜分类

2023/10/12二膜分离机理筛分和溶解-扩散

多孔膜的分离机理主要是筛分原理，依膜表面平均孔径的大小而区分为微滤（0.1-10㎛）、超滤（2-100㎚）、纳滤（0.5-5㎚），以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶质分子。多孔膜表面的孔径有一定的分布，其分布宽度与制膜技术有关而成为分离膜质量的一个重要标志。一般来说，分离膜的平均孔径要大于被截留的溶质分子的分子尺寸。这是由于亲水性的多孔膜表面吸附有活动性、相对较小的水分子层而使有效孔径相应变小，这种效应孔径愈小愈显著。表面荷电的多孔膜可以在表面吸附一层以上的对离子，因而荷点膜的有效孔径比一般多孔膜更小。相同孔径的膜，荷电量的膜水通量比一般多孔膜大得多。

2023/10/12致密膜的分离机理

在膜分离技术中通常将孔径小于1㎚的膜称为致密膜。这样的膜的分离或传质机理不同于多孔膜的筛分机理，而是溶解-扩散。即在膜上游的溶质（溶液中）分子或气体分子（吸附）溶解于高分子膜界面、按扩散定律通经膜层、在下游界面脱溶溶解速率取决于该温度下小分子在膜中的溶解度，而扩散率则按Fick扩散定律进行。

一般认为，小分子在聚合物的扩散是由高聚物分子链段热运动的构象变化引起所含自由体积在各瞬间的变化而跳跃式进行的，因而小分子在橡胶态中扩散率比在玻璃态中的扩散率快，自由体积愈小扩散率愈快，升高温度可以增加分子链段的运动而加速扩散速率，但相应不同小分子的选择透过性则随之降低。

2023/10/12三、分离膜制备方法相转换法粉末烧结多孔膜制备拉伸致孔法热致相分离法核径迹法铝阳极氧化多孔氧化铝膜制备方法溶剂涂层挥发法 致密膜的制备水面扩展挥发法支撑膜加涂层复合膜的制备支撑膜加水面扩展连续超薄膜界面缩聚法在位制备复合膜

2023/10/12四、膜分离过程膜分离过程分为：

多孔膜用于混合物水的分离：渗析、微滤、超滤、纳滤、亲和膜等。依所用膜分为

致密膜用于电渗析（ED）、逆渗析、气体分离、渗透汽化、蒸汽渗透等过程2023/10/12

4.1透析与电渗析

透析透析是最早发明的膜分离过程。此法效率低，速度慢，处理量小。人工肾膜材料由丙烯酸酯类、聚砜、聚丙烯腈、聚苯醚(PPO)等.

电渗析正负离子在电场驱动下分别向与之对应的电极迁移,速度快,加入有阴阳离子交换膜组成的膜对,即可使离子通过交换膜而实现溶液中的离子的脱除.用于苦咸水淡化、浓盐水制盐、除去果汁中有机酸.

2023/10/124.1透析与电渗析利用偶极膜的电渗析过程将阳离子膜与阴离子膜复合或在膜的两侧分别引入阴阳离子交换基团即可得到偶极膜。偶极膜中的水分子在直流电场中被电解成了H-

、OH+，分别向阴阳极迁移。近年来将离子交换树脂与电渗析过程结合的连续去离子技术（CDI）且不断改进提高水电阻（达到18M

.cm）和处理量(250-350L/min).

燃料电池用膜全氟磺酸膜(Nafion)是唯一能同时耐住40%NaOH和1000C的离子交换膜用于食盐水电解质氯碱的电解池隔膜。Nafion膜价格昂贵，正在加速开发磺化芳杂环高分子交换膜，以期降低燃料电池成本。2023/10/12CF2=CF2+SO3OSO2

重排

O=CF2—CF2—SO2FCF2—CF2OCF2—CF2—CF3FSO2CF2CF2（OCF—CF2）nOCF—

FC=OCF3CF3

加热FSO2CF2CF2（OCF—CF2）nOCF=

CF2CF3

（

CF2

CF2=CF2FSO2CF2CF2（OCF—CF2）nOCF—CF2CF2）CF3全氟磺化聚合物的合成线路

SO3与四氟乙烯反应，生成产物与六氟环氧丙烷进行反应构成全氟乙烯基醚单体。这种单体和适当比例的四氟乙烯共聚即可得到所谓的XR树脂。这种树脂为原料经熔融拉伸成膜，做成的膜经碱性水解，在聚合物中形成具有阳离子交换能力的磺酸基团，构成阳离子交换分离膜。由于聚合物全氟化，故耐酸、耐碱、耐溶剂性质大大改善

2023/10/124.2微滤、超滤和纳滤微滤微滤的应用在除菌，因而在饮用水处理、食品和医药卫生工业中广泛应用。微滤膜用于果汁澄清及含胶原质废水处理时极易堵塞，需要频繁回洗，采用四氟乙烯微滤膜由于堵塞层与PTFE的黏附力较低，可以很方便地用压缩空气反吹清除。微滤膜也用于气体的净化，如聚偏氟乙烯微滤膜大量用于生物发酵罐内和医院病室内空气的除尘、除菌，以及含粉体气体（包括烟道气）的除尘，近年来有广泛使用荷电微滤膜进一步提高除尘除菌效率。超滤膜乙酸纤维素、聚砜和聚丙烯腈是现今通用超滤膜材料。中国科学院广州化学研究所曾开发氰乙基代乙酸纤维素超滤膜能抗菌。中国科学院生态环境中心进行膜防污塞和清洗的工作。

2023/10/124.2微滤、超滤和纳滤纳滤

最初的纳滤膜制备方法同逆渗透膜，实质是用脱盐截留率较低的芳香聚酰胺逆渗透膜，用于燃料等中等分子量的物质（相对分子质量为500）的截留而容许盐和水通过。由于一方面纳滤膜的水通过量远大于逆渗透膜，而纳滤所用压力也较低（1-2.5MPa）；另一方面在无机盐类和有机中等分子量物质的分离以及一价阴、阳和多价阴、阳离子分离的要求，促进了纳滤的发展。纳滤技术为硬水软化提供了新途径。现行工艺路线：海水过滤沉降钠离子交换柱去除高价阳离子逆渗透淡水浓水建议新工艺路线海水过滤沉降逆渗透浓水闪蒸淡水淡水盐海水2023/10/124.3气体分离气体分离膜的渗透机理是溶解-扩散-脱溶。驱动力是压差。气体混合物的分离迄今得到应用的主要是利用气体在高分子膜材料中的扩散速度速率不同。在研究各种膜材料对N2和CH4的透过速率时发现，对聚砜膜N2的透过率大于CH4的透过速率，而对硅橡胶膜相反。丁烷的透过速率比CH4还大，这只能用C1~4烃类在膜中的溶解度大来解释，而硅橡胶则是从空气中回收挥发性有机蒸气（VOC）的第一个材料,还可以从天然气甚至氮气中回收C3、C4气体。增田和东村等合成的聚三甲基硅基丙炔（PTMSP）是气体透过速率最大的膜材料。近年有聚二苯基乙炔衍生物、聚4-甲基戊炔等膜材料。缺点：普遍存在物理老化问题。2023/10/12

4.4亲和膜

随着生物工程技术的发展，其下游产品的分离提纯愈见重要。生物化学中利用亲和层析法进行分析和分离。它的原理是基于被分离物质（如氨基酸、蛋白质等）与含有亲和基团的树脂（柱）选择吸附。亲和层析只能限于分离少量纯物质，难以大规模制备。随着膜技术的发展，利用含亲和基团的亲和膜（一般是微滤膜）分四步即可分离出较纯的物质，即：1亲和吸附；2洗涤；3脱附；4浓缩-用纳滤、超滤或渗透。对具有生理活性的手性化合物药物也可用上述方法分离。药物的合成步骤较多，总收率很低，最终产物因是外消旋体，只有一半是有效药物，因此另一半手性化合物的分离再用，有重要的经济价值。现在大规模生产的药物，每一种手性药物的分离再生，将有上亿美元的经济效益。所以手性药物的膜法分离纯化已成为当前重要研制热点。2023/10/12五.膜过程和其他化工分离过程的联用利用各种膜过程联合解决实际应用中