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1、高分子膜分离材料 polymer separation membranes,传统的分离物质的技术，不论筛分、沉淀、过滤、蒸馏、结晶、吸附和离子交换等，都需要消耗大量的能量，而且分离的结果往往不满意。近代的高分子分离膜不仅以它的孔径大小不同而分离大小不同粒子，更由于它们某些特有的功能而能有效地进行分离。 高分子分离膜，是一种高分子薄层物。 膜有固态，也有液态。,膜生物反应器（ Membrane Bioreactor 简称 MBR) 是一种新型的污水处理技术，是传统的污水生物处理技术与膜分离技术相结合的产物。 MBR 系统是将中空纤维膜元件直接放入曝气池中进行泥水分离，利用膜的选择透过性实现曝气池
2、中的生物富集，使得生物处理效率大幅度提高，同时生物处理后的污水经膜分离后得到洁净的回用水。 MBR 技术是污水处理及污水资源化的一项新的重要技术。,氮气经过特殊处理（瓶装氮气不经过特殊处理、有异味、含水多）无杂质，无异味，气源极其干澡，基本达到无水低氧状态设备一次性投入小操作方便，运行费用低，见效快，食品保质保鲜时间可大大延长。,第一节 概述 一、膜分离技术发展简史(1),1748年，Nelkt发现水能自发地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。人们发现动植物体的细胞膜是一种理想的半透膜，即对不同质点的通过具有选择性，生物体正是通过它进行新陈代谢的生命过程。,19世纪，人们对溶剂
3、的渗透现象已有了明确认识，发现了天然橡胶对某些气体的不同渗透率，并提出利用多孔膜分离气体混合物的思路。1855年，Fi用陶瓷管浸入硝酸纤维素乙醚溶液中制备了囊袋型“超滤”半渗透膜，用以透析生物学流体溶液。,一、膜分离技术发展简史(2),1855年FICK制备了囊袋型“超滤”半透膜,直到1950年，WJuda首次发表了合成高分子离子交换膜，膜现象的研究才由生物膜转入到工业应用领域，合成了各种类型的高分子离子交换膜。,一、膜分离技术发展简史(3),1931年，Elford报道发展了一个新的适于微生物应用的火棉胶滤膜系列，并用它来分离和富集微生物和极细粒子。40年代出现了基于渗析原理的人工肾。 50
4、年代初期，Juda研制成功离子交换膜，电渗析获得了工业应用。,一、膜分离技术发展简史(4),固态膜经历了: 50年代的阴阳离子交换膜; 60年代初的一二价阳离子交换膜; 60年代末的中空纤维膜; 70年代的无机陶瓷膜等四个发展阶段.,一、膜分离技术发展简史(5),具有分离选择性的人造液膜是Martin在60年代初研究反渗透脱盐时发现的，他把百分之几的聚乙烯甲醚加入盐水进料中，结果在醋酸纤维膜和盐溶液之间的表面上形成了一张液膜。 由于这张液膜的存在而使盐的渗透量稍有降低，但选择透过性却明显增大。此液膜是覆盖在固膜之上的，因此称之为支撑液膜。,一、膜分离技术发展简史(6),60年代中期，美籍华人黎
5、念之博士在测定表面张力时观察到到皂草甙表面活性剂的水溶液和油作实验时能形成很强的能够挂住的界面膜，从而发现了不带固膜支撑的新型液膜,并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。 这种新型液膜可以制成乳状液，膜很薄且面积大，因此处理能力比固膜和支撑性液膜大得多，这一重大技术发现奠定了液膜技术发展的基础。,一、膜分离技术发展简史(7),黎念之教授是膜科学的主要奠基人之一，是美国国家工程院、中国科学院和台湾中央研究院院士。由于他在膜科学、表面化学、化学工程等领域做出了杰出贡献，荣获2000年度珀金奖。 现任芝加哥恩理化学技术公司董事长兼总裁 。,他发明的液体膜技术已形成为一项重要的高技术，在太空技术、化
6、工、石油工业、环境保护、资源再生利用、医药及生命科学等领域已获广泛应用。 他提出的高压下气体渗透高分子膜的理论对研究高分子膜的渗透机理具有重大意义。他在膜科学技术领域的杰出贡献对化学工程学科及相关学科领域的发展具有深远影响。 美国政府曾经特聘他担任阿波罗登月计划中在膜应用方面的科学顾问。此外，他在表面化学、化工分离与催化剂研究方面也有卓越贡献。,我国50年代开始研究电渗析，66年开始研究反渗透，80年代以来对各种新型膜分离过程和制膜技术展开了全面研究与开发，目前已有多种反渗透、超滤、微滤和电渗析膜与膜组件的定型产品，在各个工业、科研、医药部门广为应用。,一、膜分离技术发展简史(8),回 顾,3
7、0年代-微孔过滤（microfiltration） 40年代-透析（dialysis）； 50年代-电渗析（electrodialysis）； 60年代-反渗透（或称高滤reverse osmosis，hyperfiltration）； 70年代-超滤（ultrafiltration）和液膜（liquid membrane）； 80年代-气体分离（gas separation）； 90年代-渗透汽化或称渗透蒸发（Pervaporation）。,第一节 概述 二、 膜的概念、分类和特点(1),概念-如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体相分隔开来成为两部分，这一凝聚相物质就是
8、膜。 凝聚相物质 固态 液态 被膜隔开的流体相物质 液态 气态 是完全透过性的 膜 可以是半透过性的 不应是完全不透过性,膜分离过程的主要特点是以具有选择透过性的膜作为组分分离的手段实现混合物的组分分离。 膜分离过程的推动力 浓度差 压力差 分压差 电位差,二、 膜的概念、分类和特点(2),特点： 高效的分离过程 低能耗 接近室温的工作温度 品质稳定性好 连续化操作 灵活性强 纯物理过程 环保,二、 膜的概念、分类和特点(3),优点： 孔径分布窄、分离效率高，过滤效果稳定。 化学稳定性好，耐酸、碱、有机溶剂。 耐高温，可用蒸气反冲再生和高温消毒灭菌。 抗微生物污染能力强，适宜在生物医药领域应用
9、。 机械强度大，可高压反冲洗，再生能力强。 无溶出物产生，不会产生二次污染，不会对分离物料产生负面影响。 分离过程简单，能耗低，操作运转简便。 膜使用寿命长。,膜的分类 固体膜和液体膜; 天然膜和合成膜; 固体膜可分为致密膜和多孔膜，多孔膜又分为微孔膜和大孔膜; 对称膜、不对称膜和复合膜。 根据膜的功能，分为离子交换膜、渗析膜、超滤膜、反渗透膜、渗透蒸发膜和气体渗透膜等。 根据固体膜的形状，分为平板膜、管式膜、中空纤维膜，以及核径迹蚀刻膜，简称核孔膜。,二、 膜的概念、分类和特点(4),第二节、微 滤 一、微滤及微孔滤膜 (1) micro filtration，简写作MF,过滤是一种分离气体
10、或液体中悬浮的或溶解的离子的技术，过滤由一定的过滤介质和相应的辅助设备来完成。悬浮或溶解在液体中的各种微细离于直径范围如下； 粗粒 20.1 毫米 大分子 500l0毫微米 细粒 10010微米 无机粒子101.0毫微米 微粒 10-0.5微米,微孔滤膜是由高分子材料制成的孔结构高度均匀的多孔薄膜,常见的有通孔型、海绵型、非对称型三种结构类型。,一、微滤及微孔滤膜 (2),微孔滤膜过滤的特点如下： 微孔滤膜的孔径十分均匀; 微孔滤膜的空隙率高达80左右; 滤膜为均一连续的高分子材料； 大于孔径的微粒不会因压力高而穿过滤膜; 滤层薄，质量小，对滤液或滤液中有效成分的吸附量小，因而可减少贵重物料的
11、损失。,一、微滤及微孔滤膜 (3),二、微孔滤膜的材质及制备方法(1),徽孔滤膜的品种很多，主要有纤维素酯类、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚碳酸酯等。 纤维素酯徽孔滤膜是最常用的一类滤膜，规格多、成本低、亲水性好。再生纤维素微孔滤膜专用于非水溶液的澄清或过滤，耐各种有机溶剂，不能用来过滤水溶液。 聚四氟乙烯微孔滤膜为强憎水性膜，耐高温，化学稳定性好，可耐强酸、强碱及各种溶剂，可用于过滤蒸汽及各种有机溶剂和强酸、强碱以及腐蚀性液体，使用面广。,二、微孔滤膜的材质及制备方法(2),微孔滤膜的制备方法有很多种，常用的有： 自然蒸发凝冻法,薄层中的溶剂缓慢蒸发而成膜； 溶出法,在制膜的高分子
12、基材中混入某些可互溶的材料，成膜后用水或其他溶剂将这些物质溶出，而形成多孔膜； 拉伸法,这类滤膜主要由聚烯烃制成，将聚烯烃在熔融温度下挤出成膜，延伸、退火，然后进行纵向拉伸，使其层状结构变形而成为相互交织的缝状孔隙； 核径迹法。由放射性同位素裂变而产生的碎片在撞击和穿透某些固体物质时，在一定条件下能形成细小的径迹。,三、微滤的应用,微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。 微滤可以分离溶液中大于0.05 m左右的微细粒子，它的应用范围很广。,1气体、溶剂及水的净化过滤； 2食糖与酒类的精制； 3药物中除菌和细菌的尸体，热敏性药物，如胰岛
13、素、ATP、血白等均不能热灭菌，细菌截留。 4生物和微生物检测、化验和诊断 生物化学和微生物的研究中，可用不同孔径的微孔滤膜收集细菌、酶、蛋白等以供和分析，还可用于药品、饮料的无菌检验等等。,三、微滤的应用,第三节 超 滤 一、超滤及超滤膜(1) ultra filtration，简写作UF,超过滤，是以压力差为推动力的膜分离过程，分离截留的机理为筛分小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，大于孔径的微粒被截留。膜上微孔的尺寸状决定膜的分离性质。,不对称膜,中空纤维膜,表面活性层,大孔支撑层,外膜直径小,内膜承受一定的压差,一、超滤及超滤膜(2),超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸
14、纤维素等； 超滤膜的工作条件取决于膜的材质。,超滤过程中，在水透过膜的同时，大分于溶质被截留，而在膜的表面积聚，形成被截留的大分子溶质的浓度边界层，这就是超滤过程中的浓差极化。由于浓差极化，膜表面处溶质的浓度高，可以导致溶质截留串的下降和水的渗透压的增高，使超滤过程的有效压差减小，渗透通量降低。,一、超滤及超滤膜(3),二、超滤的应用,超滤主要用于溶液中分子量500-500000的高分子物质与溶剂或含小分子物质的溶液的分离。 纯水的制备； 处理汽车、家具等电涂淋洗水； 纺织工业含聚乙烯醇废水的处理； 食品工业中的废水处理；,果汁、酒等饮料的消毒与澄清，应用超滤可使果汁保持原有的色、香、味，产品
15、清澈，而且操作方便，费用低。 在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从动、植物中提取药物等。 造纸工厂废水处理。,二、超滤的应用,具体应用1例: 丹麦Madsen试验将甜菜渗出汁加少量石灰中和并过滤除去不溶物后，用截留分子量为20000的聚砜超滤膜GR61在6080和0.40.6MPa下过滤，滤汁纯度91.594.5%，色值10002500IU，脱色率95%。透过流率为45L/m2.h 。另用GR61P超滤膜处理糖浆，80，0.42MPa ，糖浆为65Bx，过滤流率为9L/m2.h，可除去色素3050%，糖浆纯度提高11.5%。超滤膜的截留分子量较小者，脱色效果较高。,第
16、四节 反 渗 透 一、反渗透原理(1) reverse osmosis，简写作RO,反渗透分离技术已在许多领域得到广泛应用，反渗透对水的提纯与净化有十分重要的价值，对海水和苦咸水的脱盐淡化、锅炉水处理、超纯水制备、废水处理等，反渗透法有其他方法不可替代的优势。 用一种只能透过水而不能透过溶质的半透膜隔开，淡水会自然地透过半透膜渗透至盐水(或从低浓度溶液渗透至高浓度)一侧，这一现象称渗透。,一、反渗透原理(2),二、反渗透膜(1),二、反渗透膜(2),聚苯并咪唑膜适用于在较高温度下的反渗透作业，透水性随着温度的上升而提高。 动力膜是在过滤钍盐的水溶液时发现的，微孔滤器表面就沉积一层钍盐的氧化物，这层氧化物就是一种透水性能优异的反渗透膜。 磺化聚苯醚反渗透膜的耐氯性好，玻璃中空纤维膜的强度高，耐压实性好。， 聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯接枝聚合物等都是制备反渗透膜的优质材料。,反渗透膜材料,三、反渗透
