材料化学 chapter5-3 功能高分子材料.ppt

渗透和反渗透的原理如图4—4所示。如果用一 张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同 浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从 低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象 称渗透（图4—4a）。这一过程的推动力是低浓度溶 液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差， 表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液 一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时， 渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图4— 4b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透 通量为零。 渗透与反渗透原理示意图 如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图4—4c）。 反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为 2～100MPa。 用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜 大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶质 分子。 制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香 族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚 醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。芳香族聚酰胺具有 优越的机械强度，化学性质稳定，耐压实，能在PH=4 ∽10范围使用。聚苯并咪唑反渗透膜则能耐高温，吸 水性好，适用于较高温度下的作业。 反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有 氢键理论、选择吸附毛细管流动理论、溶解扩散 理论等。 反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的 发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领 域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离 过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决 定了它以下的应用范围。 1. 海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化 制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技 术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现 了其优越性。 2. 在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖 啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工 艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的 疗效、风味和营养等均不受影响。 3. 印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。 超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管 式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构 组成。即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度 为0.1～1.5μm，其中细孔孔径一般小于10nm；中 间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为 1～10μm；最下面的支撑层，厚度为50～250μm， 具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用， 提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面 活性层和过渡层。 制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 3～8，三醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 2～9，芳香聚酰胺超滤膜适用于pH = 5～9，温度0～40℃，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过100℃。 微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用： （1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、 食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。 （2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。 （3）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、 纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。 （4）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、 黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类 中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和 酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操 作，不会使酒类产品变味。 （5）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。 许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。 1. 气体分离膜的分离机理 气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔 膜。它们的分离机理各不相同。 （1）非多孔均质膜的溶解扩散机理 该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分 四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解 的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另 一侧逸出。 （2）多孔膜的透过扩散机理 用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流 过膜中细孔时产生的速度差来进行的。 膜反应器是膜