膜分离技术 黎念之?(Norman?N.?Li)??博士小传 黎念之化学工程学家。美国国籍 1932年12月25日生于中国上海，原籍湖南湘潭。 ?1954年获台湾大学化学工程学士学位。 1959年获美国密执安州立韦恩大学硕士学位 1963年获美国史蒂文斯理工学院博士学位 1995年迄今任北美膜科学学会会长和恩理（NL） 化学技术公司董事长。 1990年起任美国国家工程院院士 1996年起任台湾“中央研究院”院士??? 1998年当选为中国科学院外籍院士 2000年获被誉为化学工业界诺贝尔奖的普金奖章 2001年荣获世界化工大会授予的终身成就奖  目录 1 膜技术概述 2 膜分离装置 3 极化、污染现象和控制 4 典型的膜分离技术及应用领域 1 膜技术概述 1.1 基本概念 膜(Membrane)是什么？有何特性？  分离膜种类 高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特（A. Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。 1.2  膜分离技术发展简史 1861年，施密特（A. Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。   然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。 50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。 1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙—66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。          自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实 现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称 UF膜）、微孔过滤膜（简称MF膜）和反渗透膜 （简称RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离 膜。         在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也 获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功， 使功能膜的地位又得到了进—步提高。  具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。 60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。 70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。 1.3 膜的分类 1. 按膜的材料分类          2. 按膜的分离原理及适用范围分类         根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将 其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗 析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。 3. 按膜的形态分类         按膜的形状分为平板膜(Flat Membrane)、管式膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜(Hollow Fiber)。 4. 按膜的结构分类         按膜的结构分为：         对称膜(Symmetric Membrane)         非对称膜(Asymmetric Membrane)         复合膜(Composite Membrane) 1.4 膜过滤的基础理论 通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。 水通量（Jw）和截留率（R）    W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间 c1—料液中溶质浓度， c2—透过液中溶质浓度 1.5 膜分离过程的类型             分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表2所示。 1.6 膜材料         用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合 成的有机高分子材料和无机材料。         原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料 均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化 膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要 求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜 的制备技术。         目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯 类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说， 已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已 被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类 膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其 他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中 占主要地位。 1. 纤维素酯类膜材料         纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,  4—β—甙链连接起来的天然线性高分子化合物， 其结构式为：         从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。 在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能 与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维 素或三醋酸纤维素。      C6H7O2  + (CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)2  +  H2O      C6H7O2  + 3(CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)3  +  2 CH2COOH         醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。 醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。          纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。 醋酸纤维素膜的结构示意图 2. 非纤维素酯类膜材料     常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。         聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定 性，强度也很高，pH值适应范围为1～13，最高使 用温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因 此已成为重要的膜材料之一。     早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙— 4、尼龙—66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水 的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅 0.076 ml/cm2·h。     以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6 ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。          聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能 力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的 聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。             离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子 交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子 膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴 离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强 酸型阳离子交换膜。         磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离 子聚合物膜。         用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚 乙
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