第四章、高聚物膜

Chapter4高聚物膜技术membrane一、引言：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。在化工单元操作中，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。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现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源,而无实用价值。化工、轻工行业高利润、高污染，需要解决污染问题

；世界范围的水资源不足，我国水资源更少，水污染问题严重。其实污水中的毒物的含量是很小的，一般不到1％，有时为PPm级、PPb级，蒸馏浓缩不行。分离：污水中污染物的分离脱出、污染源的处理？膜过滤技术是分离领域近年来开发的热点课题。膜过滤技术的动力和耗能形式不同于蒸馏。主要介绍用于膜过滤技术或膜分离技术的高聚物膜.

膜过滤过程通常是指混合物质在通过半渗透膜时，达到分离目的的过程。日常生活中的例子：普通的真空抽滤，过滤（滤纸、滤布）、皮肤出汗渗透的不可逆性，膀胱膜的选择性。很久以前，人们对天然半透膜如膀胱膜、细脆壁以及人造胶棉（低氮硝酸纤维素）等的渗透性质作了充分的研究，但这些传统的膜难以在工业上应用，人们根据这一原理合成了各种各样的高聚物膜，并且在工业得到成功应用。五十年代初，工业上首先开发成功了合成高分子膜和电渗析技术，同时取得了离子交换膜、电渗析技术、扩散渗析技术、反渗透技术，超过滤技术，可分离胶体溶液、悬浮液、细菌体和工业大规模制盐。图4—1渗透与反渗透原理示意图

图4-2一级海水淡化工艺

产品水(40)原水(100)高压泵1反渗透装置1级预处理5.5MPaC=3.5%SW浓海水后来又出现了新的高分离效率膜、高能膜、高选择膜。促使工业生产的分离、浓缩、精制技术不断完善。近年来，高分子膜的功能又有新的提高，过去的高分子膜只能用于水溶液，现在可制出有机溶剂的分离膜。最近，国内外已开发出各种生物体膜，能量变换等高级的功能膜。膜的类别应用方法功能推动力溶质离子交换膜电渗析技术电解质的脱盐、浓缩膜的离子选择透过性及电位差无机盐渗透膜扩散渗析技术无机盐的分离，低分子与高分子的分离膜的选择透过性及浓差无机盐、碱、盐，低、高分子微孔的高分子膜微滤技术脱除悬浮质胶体粒子膜孔径，溶质分子直径、压力差（1Kg/CM2悬浮质、胶体粒子、超高分子超滤膜超滤技术溶质分子按大小筛分并精制膜孔径、溶质分子大小及压力差（1—10Kg/CM2）M＝500～30万反渗透膜反渗透技术水的分离与溶质的浓缩膜对水的选择透过性及压力差（0.2～1kg/cm2）低分子、无机离子二：分类分离过程外供能量分离对象分离原理推动力迁移方式反渗透力能水和其他水迁移压力差主动迁移超滤微滤力能大、小分子水和小分子迁移大分子截留压力差主动迁移压渗析力能大、小分子水和小分子迁移大分子截留压力差主动迁移气体分离力能不同气体快速透过气体迁移压力差主动迁移电渗析电能不同电荷离子膜对不同电荷离子吸引或排斥电位差主动迁移电解电能特定物质膜对特定离子的吸引或排斥电位差主动迁移透过汽化力能热能特定物质膜对特定离子的吸引或排斥相变压力差温度差不明渗析～特定物质膜对特定离子的吸引或排斥化学位差扩散液膜分离～特定物质膜对特定离子的吸引或排斥化学位差扩散三、应用：与水有关水是生命之源、生命之本，也是文明之源1、生命起源于水，生命本身离不开水：成人体内含水65％，儿童含水80％；2、生命活动离不开水，如工、农、生活；3、社会活动：四大文明古国均在大河的流域，中国的古都均选址在大河旁，丝绸之路的变化也与水有关。地球面积的71%被水体所覆盖，美丽的地球的水97%以上是海水，2.59%是淡水，只﹤1%可利用，26个国家严重缺水，世界每15年用水量就翻一翻，每年有1500万人因缺水，饮污染了的水而死亡。缺水的原因；{人多、工业发达、用水量剧增、人类自己搞的工业污染，使大量的淡水无法利用。

污染和破坏（如砍伐树木、土地沙漠化…）破坏了生态平衡，使有限的水资源分布不均，如98年的长江流域发洪水，而有许多地方则干旱，中国南方为水乡，而北方缺水。要有科学发展观，走可持续发展的道路，就是不要把自然资源耗尽，水资源是宝贵资源，节水、治污是全世界性的重要课题，这项课题在中国更有意义，山东缺水更严重开源、节水、开发新淡水资源——海水淡化治污：其实污水中的毒物的含量是很小的，有时上PPm级、PPb级，蒸馏浓缩不行。Membrane的开发，应用被重视：发展国家工厂水出口可养鱼，多用膜分离处理

1、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，沙特阿拉伯，大半国土被沙漠覆盖，水资源极其缺乏，但80年代以来，农业发展迅速，粮食自给自足，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。沙特：拥有23家大型现代化海水淡化工厂，其中一家是世界最大的海水淡化厂，日产淡水13.18亿升（1300立方米）。

90年代初，世界上有8000多个海水淡化厂，分布120多国家，中东最多。海水淡化的费用比传统的取用淡水源高3～4倍，淡化每m3

海水需费用1.05～1.6美元，有的是烧石油发电、蒸馏…，日产万吨淡水的海水淡化工厂，投资107亿元，每吨水成本7元，用反渗透日产万吨的装置，投资8000万元，每吨水的成本4元，市价6～7元我国的北方沿海城市现在的福利价0.5—1.2元/T，青岛、大连、秦皇岛等市，必须走海水淡化的路子。2、膜过滤用于污水处理a、反渗透法处理污水

用反渗透法处理合适污水中污染物很少，一般PPM级，丹麦的DDS公司，生产过程中产生了大量含溶剂0.5～20%和少量盐的废水，废水需去污水处理厂处理，因水量太大，处理费用太高，他们用反渗透法自己处理，将有机物浓缩后，再将少量的浓缩水送污水处理厂，则大大降低了处理费用。将利用热能浓缩变为机械能浓缩；节能b、超滤处理污水：秦皇岛玻璃纤维厂：用超滤处理废水（含离子、平平加）。c、浓缩油乳液：3、制药工业：生产杆菌肽、四环素、链霉素、新霉素、胰岛素、无热源水。4、生物技术：超滤技术，除掉微生物，制酶、多糖、氨基酸。5、食品工业和饮料工业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。a、浓缩食品和饮料：许多食品和饮料通常是在一个地区生产而运到另一个地区销售，在运输之前可将其预先浓缩，这样可以减轻运输费用，该法浓缩只需提供能源，能耗低，温和的热效应（低热不会破坏任何产品和其中维生素等营养），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%。豆腐的制作原理：加重盐（MgCl2、CaSO4)凝固蛋白质，用湿布过滤掉水，此为食品加工，设想若用超滤可得液体豆腐b、超滤浓缩血浆、明胶。c、浓缩啤酒、葡萄酒、果汁。6、气体过滤：透氧滤氮膜。7、人造器官用：人工肺、人工肾等的膜。8、制碱新工艺：膜四、高聚物膜结构和分子设计高分子膜开发热点：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。利用膜的{选择性、透过性｝决定于高分子的各次结构、膜的结构1.与膜性能有关的结构因素：a.化学结构b.结晶度c.显微结构如多孔膜：①孔的大小及分布②孔密度形状

对离子交换膜，功能团是电解质基团，如磺酸基，可电离的基团数，其荷电量、电荷密度与膜性能有关。膜具有功能性、强度、涂（成）膜性⑴膜高分子的化学结构：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：①线型②耐热性③耐化学性扩散渗析膜：有聚乙烯醇系中空纤维扩