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1、膜材料科学与应用,材料化学研究所 马立军,主要内容,一、膜的发展史 二、膜的定义和分类 三、膜学与基础科学的关系 四、膜技术的特点及重要性 五、膜技术的发展趋势和主要研究领域 六、本课程的主要内容,膜在自然界中，特别是生物体内是广泛而恒久地存在的，它与生命起源和生命活动密切相关，是一切生命活动的基础。,细胞膜、核膜、视网膜、耳膜等等,量子汽车膜,贴膜,张拉膜结构21世纪的建筑,我国汉代的淮南子已有制豆腐的记叙，后来，人们又知道了制豆腐皮、薄粉等方法。这可以说是人类利用天然物制得食用“人工薄膜”的最早记载。 早在2000年前，人们在酿造、烹饪、炼丹和制药的实践中，就利用了天然生物膜的分离特性。古
2、籍中提到“弊箪淡卤”和“海井”淡化海水等记载。 我国的膜技术没有得到应有的发展，出现很早但重视和深化程度不够。,一、膜的发展史,早在1748年，Nelkt就从水能自发地扩散穿过猪膀胱进入酒精的事例中发现了渗透现象; 1854年，发现了透析现象，并开始重视膜的研究和应用，最初主要使用的是动物膜; 1864年，Traube制得历史上第一张人工膜亚铁氰化铜膜; 1925年德国成立了世界第一个滤膜公司赛多利斯（Sartorius），实现膜的工业化；,1953年，美国Reid等人首先发现了醋酸纤维素有特殊的半透性质，并对其透水性能加以研究、改进；1960年，制得首张高性能、非对称性醋酸纤维素反渗透膜，用
3、于海水及咸水的淡化； 20世纪60年代以来，超滤膜、微滤膜、反渗透膜和气体分离膜生产实现工业化，并进入实用化阶段；遍及海水淡化、环境保护、石油化工、生物、医药、食品、电子等领域，获得巨大经济效益和社会效益。,如果将20世纪50年代初视为膜科学技术研究的起点，截止现在，其发展可分为三个阶段： 50年代为奠定基础阶段；（研究发现） 60年代和70年代为发展阶段，（发现发展） 80年代至今为发展深化阶段。（开发利用）,我国的膜技术发展和膜产业现状,1958年，引进第一套电渗析装置； 1967年，上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产； 80年代中期，醋酸纤维素反渗透膜的湖州水处理厂； 电渗析、超滤和
4、微滤等产品形成了自己的特色，初具规模；（刚刚国产化） 占据低、中档产品的市场，处于研制、开发阶段！,国家级膜工程中心 徐南平院士无机陶瓷膜工业化,1. 中国膜技术网的2010中国膜产业发展报告显示：中国膜产业已经进入快速增长期，2004年我国膜产业市场额度为75亿元，2009年底市场额度达到230亿元，预计到2015年底，市场额度将超过300亿元，膜产业发展前景十分广阔,我国2010年度膜产业十大新闻,5.世博园区直饮水项目采用“超滤膜+活性炭吸附+紫外线消毒”技术，经过多重的加工处理，出水口的直饮水不仅达到了现行国家饮用水卫生标准，甚至优于欧盟标准，游客们完全可以放心饮用。,4.广州市京溪地
5、下净水厂是广州市亚运会配套城市河涌改造项目，日处理污水10万吨，采用当前世界最为先进的“膜生物反应器（MBR）处理工艺”。整厂处理工艺设备采用“地下全埋式”，分两层，为目前亚洲最大的地下污水处理厂，同时也是国内单位水量占地面积最小的污水处理厂。,我国2010年度膜产业十大新闻,北京碧水源科技股份有限公司（简称碧水源）,碧水源研发出完全拥有自主知识产权的膜生物反应器（MBR）污水资源化技术 解决了MBR三大国际技术难题：膜材料制造、膜设备制造和膜应用工艺 拥有20多项专利技术，填补国家多项空白，荣获国家科学技术进步奖、部级科技进步奖一等奖、首批国家自主创新产品、国家重点新产品等荣誉，成为我国膜生
6、物反应器（MBR）技术大规模应用的奠基者、污水资源化技术的开拓者和领先者，位居世界前三水平，是世界上同时拥有全套膜材料制造技术、膜组器设备制造技术和膜生物反应器水处理工艺技术与自主知识产权的少数公司之一。,3. 山东东岳集团上周传出喜人消息：“十一五”国家科技支撑计划“全氟离子交换膜工程技术研究”项目的4个课题全部通过了山东省科技厅组织的专家审核验收。国产全氟离子膜关键技术、工程放大及装备技术开发项目的完成，以及在万吨级电解装置上成功应用，改写了我国氯碱工业长期受制于人的历史。,我国2010年度膜产业十大新闻,6. 作为国内目前最大的膜法海水淡化项目，由唐山曹妃甸基础设施建设投资有限公司与挪威
7、阿科凌中国有限公司共同出资40294万元人民币，杭州水处理技术研究开发中心总承包，项目占地32亩，建筑面积13026平方米，首创了中国纯商业化运行膜法海水淡化项目国有资产参股规模最大、投资额最高的先河，为未来规模化、商业化运营膜法海水淡化项目探索了新的合作发展模式。,我国2010年度膜产业十大新闻,10.我国自行设计、研发的“25000吨/日大型低温多效蒸馏海水淡化中试装置”，10月10日在河北沧州黄骅电厂通过中国海水淡化与水再利用学会组织的专家评审。该装置是由中国神华集团国华电力等四家单位为配套国家重大项目黄骅电厂海水淡化扩建工程，于2009年8月联合开发的，旨在开展国产化大规模蒸馏法海水淡
8、化的研究，为我国建设大规模万吨级低温多效蒸馏海水淡化装置替代进口做技术准备。,我国2010年度膜产业十大新闻,2011年 1. 膜工业 2011 年维持快速增长。2011 年膜协会常务理事单位总销售收入48.78 亿元，比上年增长35.37%，继续维持快速增长。我们发现前 23家制作膜元器件的企业今年收入占比略有提升。 2. 辽宁“十二五”再生水回用率 30%。辽宁省提出关于实行最严格水资源管理制度的意见，其中设定了2015 年城镇污水处理回用率达到30%以上的目标。这有利于推进再生水行业在北方地区的快速发展。,二、膜的定义和分类,膜还没有一个精确完整的定义。一种最通用的广义上的定义：“膜”是
9、两相之间的不连续区间。 按照这个定义，膜可分为固相、液相和气相，或是它们的组合。 该定义重点强调膜是有一定三维结构的隔层，其尺寸中的一维远远地小于其它二维，用以区别通常所说的相界面,膜的种类和功能繁多，因此有各种各样的分类方法 按材料（天然膜、合成膜） 按结构（多孔膜、非多孔膜和液膜） 按功能（分离、能量转化和生物） 按用途（气相系统用膜、气-液系统等） 按作用机理（吸附性膜、扩散性、离子交换等）,按膜的形状：平板膜、管式膜、中空纤维膜和蜂窝状膜 按膜的荷电：可分为荷电膜和非荷电膜,（有机膜及无机-有机复合膜）,（致密膜，晶形膜和无定形膜）,三、膜学与基础科学的关系,四、膜技术的特点及重要性,
10、重视,占据了节能环保、新材料两大战略性新兴产业,美国官方文件曾说“18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”， “目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”。 国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“工业革命” 日本把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 世界著名的化工与膜专家、美国国家工程院院士、北美膜学会会长黎念之博士，在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”；并非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未
11、来”。,膜技术中存在的问题 在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法; 从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限; 单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。,五、膜技术的发展趋势和主要研究领域,1.膜材料 1）继续开发功能高分子膜材料 根据现今对膜分离机理的认识，继续合成各种分子结构的功能高分子，制成均质膜，定量地研究分子结构与分离性能之间的关系，按照一定的分离要求来组装、设计膜材料。 在膜表面进行化学改性，根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，通过改变高分子的自由体积和链的柔软性
12、，改进其分离性能或改变其物理、化学性质； 发展高分子合金，要比通过化学反应合成新材料容易些，还可以使膜具有性能不同甚至截然相反的基团，在更大范围调节其性能。,2）开发无机膜材料 高分子膜材料无法满足如耐高温耐溶剂等。无机膜的研究除结合膜反应、超滤、微滤中的各种应用要求进行开发外，以下四方面是广泛重视的课题。 溶胶凝胶法制备陶瓷膜的工艺-结构-性能之间的关系及其形成规律； 分子筛膜，有机/无机和无机/无机复合等杂化膜的制备； 耐强酸碱的无机支撑体。 无机膜的制备新工艺。,2. 新型膜 仿生膜的开发 新型高效电解质膜的研究 分子认识型膜材料及膜系统的开发与研究 新膜技术不断开发,如渗透汽化、膜蒸馏
13、、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜及生物膜等过程的研究,3.合成膜技术主要应用： 分离 微滤、超滤、反渗透、电渗析、气体分离、渗透汽化、渗析等 控制释放 治疗装置，药物释放装置，农药持续释放，人工器官等 膜反应器 酶和催化剂反应器，生物反应传感装置等 能量转换 电池隔膜，燃料电池隔膜，电解器隔膜，固体聚电解质等,六、本课程的主要内容,膜的分离机理,制备，组件，装置及应用,新型膜 无机膜 智能膜 亲和膜 渗透汽化膜 气体分离膜 离子交换膜 透析膜 微滤膜 超滤膜 纳滤膜 反渗透膜,主要参考书 安树林，膜科学技术实用教程，化学工业出版社，2005 杨座国，膜科学技术过程与原理，华东理工大学出版社，2009 朱长乐等，膜科学技术，高等教育出版社，2004 任建新，膜分离技术及其应用，化学工业出版社，2003,本章习题,了解膜的发展历史 膜是如何定义的？ 膜的分类方法有哪些？分别是如何分类的？ 膜技术的优缺点有哪些？ 膜技术主要应用在哪几个方面？,考核方式,平时 （20 %） 考试 （80 %）,
