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1、膜的特性及传递模型第1页，此课件共25页哦膜分离特点膜分离特点 膜的种类、孔径可以根据需要选择膜的种类、孔径可以根据需要选择 不不管管流流有有多多强强，膜膜对对于于阻阻止止大大的的粒粒子子或或分子透过的能力是很强的。分子透过的能力是很强的。把产物分在两侧，很容易收集样品把产物分在两侧，很容易收集样品 节能、环保节能、环保第2页，此课件共25页哦3.1 概述 所所谓谓的的膜膜，是是指指在在一一种种流流体体相相内内或或是是在在两两种种流流体体相相之之间间有有一一层层薄薄的的凝凝聚聚相相，它它把把流流体体相相分分隔隔为为互互不不相相通通的的两两部部分，并能使这两部分之间产生传质作用。分，并能使这两部
2、分之间产生传质作用。膜的特性膜的特性：不不管管膜膜多多薄薄,它它必必须须有有两两个个界界面面。这这两两个个界界面面分分别与两侧的流体相接触别与两侧的流体相接触膜膜传传质质有有选选择择性性，它它可可以以使使流流体体相相中中的的一一种种或或几种物质透过，而不允许其它物质透过。几种物质透过，而不允许其它物质透过。膜是什么？有何特性？第3页，此课件共25页哦膜膜分分离离过过程程原原理理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推推动动力力（如如浓浓度度差差、压压力力差差或或电电压压差差等等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜膜上上游游，透过侧称为膜下游膜下游。
3、膜上游透膜膜下游选择性透膜选择性透膜第4页，此课件共25页哦 膜分离的物理化学膜分离的物理化学原理原理截流机理和筛孔效应截流机理和筛孔效应渗透和渗透压渗透和渗透压 Donnan效应效应机械截留（筛孔效应）机械截留（筛孔效应）物理作用或吸附截留物理作用或吸附截留架桥作用架桥作用网络内部截流网络内部截流第5页，此课件共25页哦3.2.1.膜的种类及制备方法按材料的来源可分为天然生物膜与人工合成膜；按膜分离过程的推动力可分为压力差、电位差、浓度差、温度差等膜；按膜的结构可分为对称和非对称膜两大类，其中非对称膜还可细分为多孔膜、叠合膜以及复合膜等。第6页，此课件共25页哦 分离膜种类分分离离膜膜高分子
4、膜高分子膜液体膜液体膜生物膜生物膜带电膜带电膜非带电膜非带电膜阳离子膜阳离子膜阴离子膜阴离子膜过滤膜过滤膜精密过滤膜精密过滤膜超滤膜超滤膜反渗透膜反渗透膜纳米滤膜纳米滤膜第7页，此课件共25页哦第8页，此课件共25页哦2.膜材料及制膜方法膜过程 膜材料微滤聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯聚碳酸酯、聚（醚）砜、聚（醚）酰亚胺、聚醚醚酮等氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅超滤聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈、聚（醚）酰亚胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纤维素类等氧化铝、氧化锆纳滤聚酰（亚）胺反渗透二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚芬香酰胺类、聚合苯并咪唑（酮）聚酰（亚）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等电渗
5、析膜电解含有离子基团的聚电解质：磺酸型、季胺型等四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟单体共聚物渗透气化弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺气体分离弹性态聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯玻璃态聚合物：聚酰亚胺、聚砜膜接触器疏水聚合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯渗析亲水聚合物：再生纤维素、醋酸纤维素、乙烯乙烯醇共聚物、乙烯醋酸乙烯酯共聚物第9页，此课件共25页哦3.2.1.3离子交换膜 在在直直流流电电场场的的作作用用下下,溶溶液液中中的的离离子子透透过过膜膜的的迁迁移移称称为为电电渗渗析析。电电渗渗析析使使用用的的膜膜通通常常是是具具有有选选择择透透过过性性能能的的离离子子交
6、交换换膜膜(Charged Membranes)。用用电电渗渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。为为什什么么离离子子交交换换膜膜具具有有选选择择性性呢呢？离离子子交交换换膜膜是是一一种种由由功功能能高高分分子子物物质质构构成成的的薄薄膜膜状状的的离离子子交交换换树树脂脂。它它分分为为阳阳离离子子交交换换膜膜和和阴阴离离子子交交换换膜膜两两种种。离离子子交交换换膜膜之之所所以以具具有有选选择择透透过过性性，主主要要是是由由于于膜膜上上孔孔隙隙和和离离子基团的作用。子基团的作用。第10页，此课件共25页哦正极正极阴离子交换膜阴离子交换膜负极负极+固定离子固定
7、离子Cl-Na+-第11页，此课件共25页哦 高高分分子子膜膜中中间间有有足足够够大大的的孔孔隙隙，水水中中的的离离子子在在膜膜孔孔隙隙通通道道（比比膜膜厚厚度度大大得得多多）中中电电迁迁移移运运动动。例例如如，在在水水溶溶液液中中,阴阴离离子子交交换换膜膜的的活活性性基基团团会会发发生生离离解解，留留下下的的是是带带正正电电荷荷的的固固定定基基团团，构构成成了了强强烈烈的的正正电电场场。在在外外加加直直流流电电场场作作用用下下，根根据据异异电电相相吸吸原原理理，溶溶液液中中带带负负电电的的阴阴离离子子就就可可被被它它吸吸引引、传传递递而而通通过过离离子子交交换换膜膜到到另另一一侧侧，而而带带
8、正正电电荷荷的的阳阳离离子子则则离离子子膜膜上上固定负电荷基团的排斥不能通过交换膜。固定负电荷基团的排斥不能通过交换膜。第12页，此课件共25页哦 在电渗析过程中在电渗析过程中,膜的作用并不象离子交换树脂那膜的作用并不象离子交换树脂那样对溶液中的某种离子起交换作用样对溶液中的某种离子起交换作用,而是对不同电性而是对不同电性的离子起选择透过作用的离子起选择透过作用,因而离子交换膜实际上应因而离子交换膜实际上应称为离子选择性透过膜。称为离子选择性透过膜。应用举例应用举例中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般可以把中中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和
9、生物碱、无机阴离子和草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分。有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分。纯水制备：电渗析制备初级水纯水制备：电渗析制备初级水,可去盐可去盐80-90%；再用离子；再用离子交换除盐交换除盐10-20%制备高级水。这样既降低成本制备高级水。这样既降低成本,又减少污又减少污染。染。水污染处理：水污染处理：如回收镀镍废水等等如回收镀镍废水等等 第13页，此课件共25页哦3.2.2相转化制膜的机理用相转化制备聚合物膜的方法有双组分或多组分均相溶液的热凝胶、从三组分聚合物中蒸发挥发溶剂、均相聚合物溶液中添加非溶剂等三种方法。3.
10、2.2.1双组分或多组分均相溶液的热凝胶P40图3-83.2.2.3从三组分聚合物溶液中蒸发挥发性溶剂图3-93.2.2.3均相聚合物溶液中添加非溶剂图3-10第14页，此课件共25页哦3.2.3影响膜渗透性质的各种因素一般情况下,膜的渗透速率越大,不同组分透过膜的渗透速率差就越小,这对实际分离是非常不利聚合物膜对气体或液体的渗透过程通常以溶解-扩散机理来解释。如气体分子首先溶解于膜的高压侧表面，然后在膜内扩散，再从膜的低压侧溶解出来。由费克定律可知，气体分子在膜中的扩散通量或渗透率为：J=-D（dc/dz）若气体溶于膜中的浓度C与气体压力P之间服从亨利定律即：C=Sp则有J=第15页，此课件
11、共25页哦由此可计算出平均渗透系数若扩散系数和溶解度系数与压力无关，则有：P：渗透系数；S：溶解度系数；D：扩散系数P=DS第16页，此课件共25页哦3.2.3.1温度、压力的影响影响渗透率的因素应该包括以下几个方面：温度、压力、浓度、膜本身的性能、当然还有驱动力。在一定的温度范围内，可用Arrhenius方程来描述温度对渗透系数、扩散系数、溶解度系数的影响。P=P0exp（-Ep/RT）；D=D0exp（-Ed/RT）；S=S0exp（-Hs/RT）P=DS；P0=D0S0；Ep=Ed+Hs第17页，此课件共25页哦一般情况下，扩散系数和渗透系数都随之升高，但温度对S的影响比较复杂。当溶解在
12、聚合物膜内的组分是蒸气时，有混合热主要与渗透组分和聚合物膜的凝聚密度有关第18页，此课件共25页哦3.2.3.2溶液性质的影响渗透组分在膜内的扩散系数随组分分子体积的大小和形状而变。渗透组分的成分和浓度对渗透速率及渗透选择性也有很大影响。气体在膜内的溶解度可以用亨利定律来表示。第19页，此课件共25页哦对一般蒸气和液体，浓度对D和S的影响可以用温度影响类似公式来表示 D=D0exp（AC）S=S0exp（C）A,:特性参数特性参数;C:溶液浓度溶液浓度 对双组分体系,可把扩散系数表示为两组分浓度的指数函数:Di=D0iexp(AiiCi+AijCj)Dj=D0jexp(AjiCi+AjjCj)
13、第20页，此课件共25页哦3.2.3.3聚合物膜结构对渗透性质的影响聚合物指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量(通常可达104106)化合物。例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元CH2CHCl重复连接而成，因此CH2CHCl又称为结构单元或链节。由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体，是合成聚合物的原料。聚氯乙烯可缩写成：CH2CHCln第21页，此课件共25页哦n代表重复单元数，又称聚合度，聚合度是衡量高分子高分子聚合物聚合物的重要指标。聚合度很低的(1100)的聚合物称为低聚物，只有当分子量高达104106(如塑料、橡胶、纤维等)才称为高分子聚合物
14、高分子聚合物。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物，如上述的聚氯乙烯、聚乙烯等。由两种以上单体共聚而成的聚合物则称为共聚物，如氯乙烯醋酸乙烯共聚物等第22页，此课件共25页哦熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度。结构不规整或链间次价力较弱的聚合物(如聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等)难以结晶，一般为不定型态。无定型聚合物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度(Tg)，是无定型塑料使用的上限，橡胶使用的是下限温度。从高弹态到黏流态的转变温度称黏流温度(Tf)，是聚合物加工成型的重要参数。第23页，此课件共25页哦当聚合处于玻璃态时，整个大分子链和链段的运动均被冻结，宏观性质为硬、脆、形变小，只呈现一般硬性固体的普弹形变。聚合物处于高弹态时，链段运动高度活跃，表现出高形变能力的高弹性。当线型聚合物在黏流温度以上时，聚合物变为熔融、黏滞的液体，受力可以流动，并兼有弹性和黏流行为，称黏弹性。第24页，此课件共25页哦聚合熔体和浓溶液搅拌时的爬杆现象，挤出物出口模时的膨胀现象以及减阻效应等，都是黏弹行为的具体表现。其他如聚合物的蠕变、应力松弛和交变应力作用下的发热、内耗等均属黏弹行为第25页，此课件共25页哦