第二章：膜材料与制备

1膜材料及膜的制备21、膜材料2、膜的制备3、膜组件3膜材料的特性对于不同种类的膜都有一些基本要求：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；化学相容性：保持膜的稳定性；生物相容性：防止生物大分子的变性；成本低；4无机膜材料无机膜材料陶瓷氧化铝、氧化硅、氧化锆等金属钯、铝、银等玻璃硼酸盐玻璃等分子筛碳分子筛等无机高分子聚磷嗪、聚硅氧烷等5无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为材料。从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称。优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。缺点：不易加工，造价高。6有机高分子膜材料7膜材料-不同的膜分离技术微滤膜：硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯，超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维反渗透膜：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺电渗析：离子交换树脂渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺81醋酸纤维素亲水性好,利于减轻膜污染；可制备从反渗透到微滤不同孔径的膜并具有较高通量；成膜性能好，易于制备成本低、无毒。操作温度范围窄（30℃）pH范围窄，一般为3-6，以防止水解；与氯作用，寿命降低；膜有压实现象，高压下通量降低；易被生物降解优点缺点二醋酸纤维素（CA）三醋酸纤维素（CTA）常用来制备非对称反渗透膜，也可制备卷式超滤膜和纳滤膜。9醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径（8－10）×10－10m过渡层，孔径200×10－10m多孔层，孔径（1000－4000）×10－10m1%102聚砜类化学稳定性好，耐酸、碱、醇和脂肪烃；pH范围宽（1-13），利于膜清洗；耐热性好（使用温度可达75度），利于消毒；耐氯性和抗氧化性较好；具有较宽的孔径范围(1nm-0.2μm)具有疏水性，易污染；耐压能力较差。优点缺点可制备超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜，可制成不同的组件形式。113芳香聚酰胺(PA)高吸水性，具有较高的通量和较低的截留分子量；机械稳定性、热稳定性较好；pH范围宽（4-11）；操作压力要求低耐氯性能较差；易被蛋白类溶质污染。优点缺点可制备反渗透复合膜。124聚酰亚胺(PI)高吸水性，具有较高的通量和较低的截留分子量；热稳定性较好(耐温125度)；pH范围宽（4-11）；耐氯性能较差；易污染。优点缺点可制备反渗透复合膜、超滤膜和气体分离膜。135聚烯烃类化学性能稳定;耐热性好亲水性差聚丙烯啨聚乙烯重要的超滤和微滤膜材料,也可制备渗透汽化膜低密度聚乙烯可通过热致相分离和拉伸方法成膜化学性能稳定;耐有机物污染、通量大，但耐温性差。高密度聚乙烯可通过烧结法制备微滤膜耐溶剂性、透气性、透湿性、机械性能较好，电性能差。145聚烯烃类耐酸碱性、耐溶剂性和耐热性好；亲水性差聚丙烯聚氯乙烯微滤膜材料,常采用拉伸法制备平板膜和热致相分离制中空纤维膜耐酸碱、耐微生物侵蚀、通量大，但热稳定性和耐光性差。主要用于制备超滤膜156芳香聚合物聚碳酸酯聚酯主要用于核径迹刻蚀法制核孔微滤膜，也是气体分离（氧/氮）膜化学稳定性好，吸湿性小，强度高，尺寸稳定性好，耐热、耐溶剂性能好。主要用作多种膜组件的衬布和支撑体167含氟聚合物聚四氟乙烯聚偏氟乙烯憎水性强；耐强酸强碱侵蚀；耐热性好。适合处理蒸汽和腐蚀性液体。化学稳定性好，耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐热性能好。亲水性差。可以采用相转化法制备超滤膜和微滤膜通过拉伸和热致相分离法制备膜蒸馏用膜178含硅聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚三甲基硅烷基丙炔（PTMSP）低温固化硅橡胶主要用于气体分离膜的皮层，具有较好的透气性和选择性化学稳定性好，耐强酸强碱及溶剂侵蚀；耐热性能好。亲水性差。18膜的制备要求：（1）透过速度（2）选择性（3）机械强度（4）稳定性19膜的结构分类按膜的结构分为：对称膜(SymmetricMembrane)非对称膜(AsymmetricMembrane)复合膜(CompositeMembrane)20对称膜21非对称膜22复合膜23对称膜厚度10-200μm。致密膜孔径在1.5nm以下，而微孔膜是相对致密膜而言，其孔径大于1.5nm。非对称膜由厚度0.1-1μm的致密皮层和厚度50-200μm的多孔支撑层构成。分为非对称膜和复合膜。二者区别：复合膜致密皮层和支撑层不是一次同时形成，而是分两次制成；皮层的材料一般与支撑层材料不同。24膜制备方法高分子膜的制备方法很多，如热压成型法，相转化法、浸涂法、辐照法、表面化学改性法、拉伸成孔法、核径迹法、动力形成法等。无机膜的制备方法，主要有溶胶—凝胶法、烧结法、化学沉淀法等。25高分子膜的制备对称膜的制备26微孔膜的制备⑴拉伸法当聚合物处于半结晶状态，内部存在晶区和非晶区时，两个区的力学性质是不同的，当聚合物受到拉伸力量，非晶区受到过度拉伸致使局部断裂形成微孔，晶区则作为微孔区的骨架得以保存形成拉伸半晶体膜高聚物熔体挤出→沿挤出方向形成平行排列的微晶→热处理使结构进一步完善→冷拉伸致孔→热定型。2728形成半晶态聚合物是拉伸法的关键牵伸倍数和牵伸温度对于形成微孔尺寸和孔隙率是很重要的。结晶的变化和结晶形态的变化是能否形成微孔及微孔大小的决定因素。29微孔膜的制备⑵烧结法将粉状聚合物或金属粉均匀加热，控制温度和压力，使粉粒间存在一定空隙，只使粉粒的表面熔融但并不全熔，从而相互粘结形成多孔的薄层或管状结构。膜孔径的大小，由原料粉的粒度及浇结温度来控制。此法多用于聚乙烯、聚四氟乙烯、金属粉末等膜材料。30微孔膜的制备⑶核径迹刻蚀法高分子薄膜在垂直方向受到同位素裂变碎片或重粒子加速器放出的带电粒子的轰击，聚合物分子的长链断裂。由于在断裂处形成活性很高的化学反应能力，能够优先被化学蚀刻剂所溶解，形成蚀穿的孔洞。膜孔的大小由侵蚀的程度来控制。a.辐照刻蚀b.刻蚀NaOH31核孔膜的特点：核孔膜的筛孔是园柱形，基本与膜面垂直孔径均匀孔隙率一般在10%左右，对产品吸附量小核孔膜透明，表面平滑核孔膜一般有较好的化学稳定性32微孔膜的制备（4）溶出法溶出法指在制膜基材中混入某些可溶出的高分子或其他可溶性水溶性固体添加剂，成膜后将母体浸入水浴或某些溶剂中，将这些混入物质浸取出来而致孔。如PEG、醇类、酯类等33致密膜的制备溶剂蒸发法压延法拉伸法34溶剂蒸发法溶剂蒸发法（溶液浇铸法）即：将膜材料用适当溶剂溶解，制成均匀的铸膜液，将其倾倒在铸膜板上，用特制刮刀使之铺展成具有一定厚度的均匀薄层，然后移至特定环境中让溶剂完全挥发，从而形成均匀的薄膜35高分子膜的制备非对称膜的制备36相转化法相转化法是聚合物从溶液中沉析成固体的过程中从一个均相液态转变成两个液态（液—液分相）而引发的形成聚合物浓相和聚合物稀相，浓相最终发展成膜本体，稀相转化成孔道。聚合物溶液（溶胶）聚合物稀相→孔聚合物浓相→膜本体常用的有热凝胶法和浸沉凝胶法37聚合物溶剂添加剂均质制膜液流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂凝固液浸渍水洗后处理非对称膜图L—S法制备分离膜工艺流程框图38相转变制膜不对称膜通常用相转变法(phaseinversionmethod)制造，其步骤如下：1．将高聚物溶于一种溶剂中；2．将得到溶液浇注成薄膜；3．将薄膜浸入沉淀剂（通常为水或水溶液）中，均匀的高聚物溶液分离成两相，一相为富含高聚物的凝胶，形成膜的骨架，而另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙。39膜的内部结构主要决定于动力学因素。当高聚物溶液缓慢沉淀时，得出的是海绵状结构(RO膜).当快速形成凝胶时，得出的是手指状结构(UF膜).40热凝胶法41浸沉凝胶法42434445浸没沉淀法制膜液凝胶浴聚合物10-40%溶剂60-90%致孔剂10-30%水溶剂必须能溶解聚合物，且与凝胶介质水混溶，与其他组分不起化学反应。在常温下制膜，溶剂最好是低沸点的极性溶剂。致孔剂必须溶于溶剂，且与凝胶介质水混溶。致孔剂最好是高沸点的极性物质。46膜材料的选择-溶解度参数高分子材料在溶剂中溶解∆Gm=∆Hm-T∆Sm(1)∆Gm、∆Hm、∆Sm——分别为高分子与溶剂分子混合的Gibbs混合自由能、混合热和混合熵；T——溶解温度)2(2125.0225.011VEVEHm∆E-液体分子的内聚能，即将1mol液体所含分子全部分开时，为克服分子间作用力所必须的能量；V1，V2-组分1和2的摩尔体积；φ1φ2-组分1和2的体积分率最常用的材料物化特征参数，对溶剂相转化制备高分子膜具有重要的指导作用，是选择溶剂、添加剂和凝胶剂的主要参考参数。47膜材料的选择-溶解度参数定义溶解度参数5.0VEsp)3(VEVEVEVEhpd)4(2222hpdsp分别表示总溶解度参数的色散分量、偶极分量和氢键分量48溶解度参数计算)5(,aVEiicohspbVFigidd5,,cVFigipp5,2,dVEigihh5,,Ecoh,i,Vi,Fd,i,Fp,i,Eh,i,Vg,i等分别是各结构单元i的分量49例题：参数结构基团苯环CONHNHCOCONHVi(cm3/mol)52.52199.5Vg,i(cm3/mol)65.549.824.9Ed,i(J0.5cm1.5/mol)1270.69900.33450.164Eh,i(J/mol)--44503.6232499.49Ecoh,i(J/mol)31946.8146894.4033496.00聚酰胺酰肼的重复单元已知三种结构基团对摩尔体积和溶解度参数的贡献计算氢键溶解度参数δh色散溶解度参数δd和总溶解度参数δsp505.15.0,,/35.199.248.4925.65)49.3249962.44503cmJVEigihh解:5.15.0,,/9.189.248.4925.65/164.45033.900269.1270cmJVFigidd5.15.0,/39.335.91922.52/334964.46894281.31946cmJVEiicohsp51溶解度参数与材料性能的关联材料的溶解性：相似者相溶材料的亲水性：高分子材料的含水率随着溶解度参数增加而上升。52溶解度参数与溶剂的选择溶解度参数是目前选择溶剂的主要方法。高分子材料的溶解度参数与溶剂的溶解度参数之差的绝对值，高分子即溶解。5.15.0/0.27.1cmcalssp上述关系对于非极性分子、无放热和吸体系是适用的。但是对分子极性较强的体系，如生成氢键，有放热的体系，就不能简单地采用上述关系，而需将溶解参数与氢键结合起来考虑。53溶解度参数与溶剂的选择首先考虑聚合物与溶剂的溶解度参数和极性。溶解度参数相近的相溶，极性相近的相溶，两者结合起来考虑，准确性一般可达95%；其次考虑聚合物与溶剂的相互作用参数小于1/2的原则。一种聚合物选定后在选择溶剂时，一般遵循下列原则：5455相转化法成膜机理与相图分析由相转化法的湿法成形的聚合物膜在分离膜中有举足轻重的地位，膜的微观结构与相转化过程密切相关，人们通过改变成形条件来制备各种不同形态结构的此类膜,并广泛应用于反渗透、透析、超滤、纳滤及气体分离等多种膜过程中，如何控制膜的微观结构，必须从热力学和动力学入手。56相转化的热力学描述聚合物－溶剂－凝胶剂三元组分发生相分离