功能高分子化学ppt课件

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1、3.3 压力驱动膜分离过程压力驱动膜分离过程以压力为驱动力，已除去溶液中悬浮的微粒和溶解的以压力为驱动力，已除去溶液中悬浮的微粒和溶解的溶质为目的连续膜分离过程。溶质为目的连续膜分离过程。主要优点主要优点：设备简单、分离条件可控性好，应用范围广泛：设备简单、分离条件可控性好，应用范围广泛。产生压力差的方法：正压分离法产生压力差的方法：正压分离法 减压分离减压分离法法分离膜：微多孔性薄膜分离膜：微多孔性薄膜膜分离过程特征膜分离过程特征分离膜特点分离膜特点分离过程分离过程最大使用浓度最大使用浓度可通过分子量可通过分子量操作压力操作压力/MPa空隙率空隙率%孔径范围孔径范围/nm孔密度孔密度/(个个

2、/cm2)微滤微滤(MF)10%极大极大0.1-0.270102-104109超滤超滤(UF)10-3M103-1060.1-0.56010-1021011纳滤纳滤(NF)1M102-1030.5-5501-101012反渗透反渗透(RO)10-1021-105010123.3.1微微 滤滤(microfiltration,MF)悬浮或溶解在液体中的各种微细离子直径范围：悬浮或溶解在液体中的各种微细离子直径范围：粗粒粗粒 2 20.1mm0.1mm细粒细粒 10010010um10um微粒微粒 10100.5um0.5um大分子大分子 500-10nm500-10nm小分子和无机粒子小分子和无

3、机粒子 10-0.1nm10-0.1nm 分离机理分离机理:膜孔对溶液中的悬浮微粒的筛分作用膜孔对溶液中的悬浮微粒的筛分作用,在在压力差的作用下压力差的作用下,小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上微孔上微孔,大于孔径的微粒被截留。大于孔径的微粒被截留。有效孔径有效孔径:0.1-10um:0.1-10um压力：压力：0.2MPa0.2MPa通孔型通孔型 海绵型海绵型 非对称非对称型型三种典型的微孔滤膜的断面结构三种典型的微孔滤膜的断面结构制备方法制备方法:溶液相转化、熔融成型溶液相转化、熔融成型-拉伸成孔、拉伸成孔、热致相分离、烧结。热致相分离、烧结。表征微滤膜结构表征

4、微滤膜结构2 2个重要参数：个重要参数：有效孔径：有效孔径：孔结构：平均孔径、孔径分布。孔结构：平均孔径、孔径分布。:rP多孔膜的有效孔径：水空气表面张力施加的压力2rP空隙率空隙率：包括总空隙率和有效空隙率：包括总空隙率和有效空隙率。微滤膜为绝对过滤介质；微滤膜为绝对过滤介质；过滤精度高；过滤精度高；通量大通量大;无介质脱离无介质脱离;颗粒容纳量小颗粒容纳量小,易阻塞。易阻塞。微滤膜及其过程特点微滤膜及其过程特点气体、溶剂及水的净化气体、溶剂及水的净化处理石油注水和采出水处理石油注水和采出水食糖与酒类的精制食糖与酒类的精制药物中除菌和微粒药物中除菌和微粒微滤膜应用：微滤膜应用：3.3.2 3

5、.3.2 超超 滤滤(Ultrafiltration,UF)分离机理与微滤相同，但孔径小，空隙率低，需要压分离机理与微滤相同，但孔径小，空隙率低，需要压力大。力大。超滤膜：不对称膜（由表面活性层和大孔支撑层组成），超滤膜：不对称膜（由表面活性层和大孔支撑层组成），0.1-1.5um50-250um不对称膜不对称膜中空纤维膜中空纤维膜主要材料：聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。主要材料：聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。超滤的应用超滤的应用可截留大分子、胶体、病毒等物质故可应用在纯水可截留大分子、胶体、病毒等物质故可应用在纯水的制备，食品工业及造纸工厂的废水处理，制药工的制备，食品工业及

6、造纸工厂的废水处理，制药工业等方面。业等方面。3.3.3 反渗透和纳滤膜反渗透和纳滤膜(Nanofiltration,NF)利用这种原理，可从盐水中获得纯水。利用这种原理，可从盐水中获得纯水。反渗透原理反渗透原理纳滤膜纳滤膜：将孔尺寸在将孔尺寸在1nm1nm左右的高分子膜。外压：左右的高分子膜。外压：0.1-0.5MPa0.1-0.5MPa分离物质的分子量小于分离物质的分子量小于500500，需要高的操作压力，需要高的操作压力1 1100MPa100MPa能部分脱盐，对相对分子质量能部分脱盐，对相对分子质量200200500500的有机物及胶体完全的有机物及胶体完全脱除，对低盐度水可在低压下进

7、行，可将高价、低价盐离子脱除，对低盐度水可在低压下进行，可将高价、低价盐离子有区分地截留。有区分地截留。3.3.4 反渗透膜（反渗透膜（Reverse Osmosis,RO)反渗透膜反渗透膜:不对称膜、复合膜和中空纤维。不对称膜、复合膜和中空纤维。复合膜的剖面示意图复合膜的剖面示意图反渗透膜材料反渗透膜材料：主要有醋酸纤维素系列和芳香聚酰胺系列两大类。主要有醋酸纤维素系列和芳香聚酰胺系列两大类。还有聚苯并咪唑，聚四氟乙烯、聚芳砜等膜材料。还有聚苯并咪唑，聚四氟乙烯、聚芳砜等膜材料。反渗透膜的透过机理反渗透膜的透过机理氢键理论、选择吸附毛细管流动机理、溶解扩散理论氢键理论、选择吸附毛细管流动机理

8、、溶解扩散理论。氢键理论氢键理论膜膜的的表表皮皮层层醋酸纤维素膜中结合水的传递醋酸纤维素膜中结合水的传递H2O Na+Cl-H2O Na+Cl-H2OH2O Na+Cl-H2O Na+Cl-H2OH2O Na+Cl-H2O Na+Cl-H2OH2O Na+Cl-H2O Na+Cl-H2OH2O H2O H2O H2O H2OH2O H2O H2O H2O H2OH2OH2OH2O优先吸附毛细管流动机理示意图优先吸附毛细管流动机理示意图膜材料对水优先膜材料对水优先吸附，对溶质要吸附，对溶质要选择排斥。选择排斥。选择吸附毛细管流动机理选择吸附毛细管流动机理 溶解扩散模型：溶剂与溶质在膜的料液侧表面

9、吸附溶解，溶解扩散模型：溶剂与溶质在膜的料液侧表面吸附溶解，在化学位差的推动下以分子扩散形式透过在化学位差的推动下以分子扩散形式透过膜。膜。wwwwVPJD CRTd :/;:wwwwJSDCPVf33水的透过量，cm水在聚合物中的扩散系数,cm/s；：水在聚合物中的平均浓度,g/cm；：膜两侧的压力差；：渗透压；d：膜的有效厚度；水在聚合物中的 分摩尔体积。ssCJD Kd:;:ssJDC盐的透过量盐在聚合物中的扩散系数；K:盐在膜内和膜外溶液中的分配系数；：盐在膜内和膜外溶液中的浓度差。d：膜的有效厚度。溶质透过膜与溶剂（水）透过无关。溶质透过膜与溶剂（水）透过无关。具有越高渗透压的料液透

10、过膜的通量越低。具有越高渗透压的料液透过膜的通量越低。反渗透膜的性能反渗透膜的性能RautenbachRautenbach 和和 AlbrechtAlbrecht总结了膜的选择性的一些通用规律：总结了膜的选择性的一些通用规律：(1)(1)多价离子比单价离子易于截留，其被反渗透膜的截流率顺序：多价离子比单价离子易于截留，其被反渗透膜的截流率顺序：阳离子：阳离子：FeFe3+3+NiNi2+2+MgMg2+2+CaCa2+2+NaNa+KK+阴离子：阴离子：POPO4 43-3-SOSO4 42-2-HCOHCO3 3-BrBr-ClCl-NONO3 3-FF-（2 2）溶解性气体如）溶解性气体如

11、NHNH3 3,CO,CO2 2,SO,SO2 2,O,O2 2,Cl,Cl2 2及及H H2 2S S易于渗透通过膜。易于渗透通过膜。（3 3）弱酸弱碱的截留情况与）弱酸弱碱的截留情况与PHPH值相关。值相关。Rautenbach and Albrecht，Membrane Process.Chichester,England:Wiley,1989.（4 4）对同系有机化合物，相对分子质量增加，则截流率增加。）对同系有机化合物，相对分子质量增加，则截流率增加。其异构体被截留的顺序为：叔基其异构体被截留的顺序为：叔基 异基异基 仲基仲基 伯基伯基直链醇相对分子质量对膜截流率的影响直链醇相对分子

12、质量对膜截流率的影响醇相对分子质量截流率正丁醇74652丁醇7477异丁醇7495叔丁醇7496醇类支链对反渗透膜截流率的影响（醇类支链对反渗透膜截流率的影响（28atm,2028atm,20）（5 5）中性有机溶质的截流率随相对分子量增加而增加，只要）中性有机溶质的截流率随相对分子量增加而增加，只要其相对分子质量其相对分子质量100,100,无论是否电解质无论是否电解质,均可被反渗透膜所截留均可被反渗透膜所截留.反渗透膜和纳滤膜的应用反渗透膜和纳滤膜的应用(1)(1)海水与苦咸水淡化海水与苦咸水淡化预处理絮凝沉降化学加药PH调整脱气预处理多介质过滤微滤膜过滤高压泵反渗透装置淡水后处理中和脱气

13、消毒(UV,O3,NaClO)微滤膜过滤(2)(2)纯水和超纯水的制备纯水和超纯水的制备超滤装置清液罐反渗透/纳滤装置水透过液浓缩液低分子蛋白,低聚糖喷雾干燥器蛋白粉(3)(3)在食品加工和生物工程在食品加工和生物工程乳制品蛋白质乳制品蛋白质,氨基酸及多糖的分离与浓缩氨基酸及多糖的分离与浓缩.反渗透技术从大豆乳清中回收蛋白质反渗透技术从大豆乳清中回收蛋白质/低聚糖的工艺流程低聚糖的工艺流程3.4 渗透蒸发膜渗透蒸发膜(Pervaporation,PV)液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动下液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动下,被膜选择被膜选择性吸附溶解性吸附溶解,以不同的速度在膜内扩

14、散以不同的速度在膜内扩散,在膜的另一侧汽化、解在膜的另一侧汽化、解吸吸,实现混合物分离。实现混合物分离。可用于恒沸物及近沸物系的分离。可用于恒沸物及近沸物系的分离。衡量膜的实用性有衡量膜的实用性有4 4个指标：个指标：（1 1）膜的选择性）膜的选择性（2 2）膜的渗透通量）膜的渗透通量（3 3）膜的机械强度）膜的机械强度（4 4）膜的稳定性）膜的稳定性 按照极性相似和溶剂化原则，选择与优先渗透组分按照极性相似和溶剂化原则，选择与优先渗透组分 极性相近的高聚物。极性相近的高聚物。选用与组分之间存在特殊作用的膜材料。选用与组分之间存在特殊作用的膜材料。纤维素衍生物，对分离醇水溶液很有效。纤维素衍生

15、物，对分离醇水溶液很有效。高分子合成膜：如聚苯乙烯膜等膜被用于分离烃类有机物质。高分子合成膜：如聚苯乙烯膜等膜被用于分离烃类有机物质。聚乙烯醇用于分离醇水的膜材料。聚乙烯醇用于分离醇水的膜材料。膜材料膜材料 聚丙烯腈常被用作复合膜的多孔支持层。聚丙烯腈常被用作复合膜的多孔支持层。PVPV膜材料选择的一般原则膜材料选择的一般原则PVPV膜：对称膜，膜：对称膜，非对称膜和复合膜。非对称膜和复合膜。主要应用主要应用1.1.有机溶剂的脱水。有机溶剂的脱水。醋酸纤维素醋酸纤维素,改性聚乙烯醇等改性聚乙烯醇等2.2.水中微量有机物质的脱除。水中微量有机物质的脱除。3 3、有机、有机/有机混合体系的分离有机

16、混合体系的分离3.5 气体分离膜气体分离膜工艺上解决了两大关键问题工艺上解决了两大关键问题:超薄分离层超薄分离层(分离层厚度分离层厚度0.1um)0.9,0.9,膜的透过度膜的透过度85%机械强度机械强度:爆破强度爆破强度膜受到垂直方向压力时所能承受的最高压力膜受到垂直方向压力时所能承受的最高压力 抗拉强度抗拉强度-膜受到平行方向拉力时所能承受的最高拉力膜受到平行方向拉力时所能承受的最高拉力()1:gggggttPttt反离子在膜内迁移数：反离子在溶液中的迁移数三、离子交换膜的应用三、离子交换膜的应用离子交换膜技术主要应用在以下领域：离子交换膜技术主要应用在以下领域：电渗析水处理电渗析水处理扩

17、散渗析扩散渗析产品的浓缩、提取和精制产品的浓缩、提取和精制氯碱工业电池隔膜及隔膜电解氯碱工业电池隔膜及隔膜电解原子能工业及分析原子能工业及分析1、电渗析技术、电渗析技术在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现象称为在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现象称为电渗析。电渗析。盐由脱盐室移出进入相邻的浓缩室，这样电渗析器可以用来盐由脱盐室移出进入相邻的浓缩室，这样电渗析器可以用来脱盐也可进行盐的浓缩。脱盐也可进行盐的浓缩。盐水的电渗析过程盐水的电渗析过程纯水的制备：纯水的制备：电渗析离子交换组合脱盐是国内外通常采用的工艺流程电渗析离子交换组合脱盐是国内外通常采用的工艺流程原水原水

18、预处理预处理电渗析电渗析混合床混合床纯水纯水海水浓缩制盐：海水浓缩制盐：NaCl食品、医药工业中的应用食品、医药工业中的应用脱除有机物（在电场不离解为离子的物质）中的盐分。脱除有机物（在电场不离解为离子的物质）中的盐分。有机物中酸的脱除或中和有机物中酸的脱除或中和有机酸盐取代反应制有机酸有机酸盐取代反应制有机酸。2、膜电解技术、膜电解技术利用阳离子交换膜将电解槽的阳极和阴极隔开，进行利用阳离子交换膜将电解槽的阳极和阴极隔开，进行食盐水溶液电解制造氯气和烧碱或其他无机盐电解还食盐水溶液电解制造氯气和烧碱或其他无机盐电解还原等的一种膜技术。原等的一种膜技术。氯碱电解工业的应用氯碱电解工业的应用阳离

19、子交换膜食盐电解法基本原理阳离子交换膜食盐电解法基本原理CF2=CF2+SO3OF2CCF2SO2O=CF-CF2-SO2FOF2CCF-CF3FSO2CF2CF2(OCF-CF2)n-OCF-FC=OCF3CF3FSO2CF2CF2(OCF-CF2)n-OCF=CF2CF3CF2=CF2FSO2CF2CF2(OCF-CF2)n-OCF-CF2-CF2-n-CF2加热共聚重排CF3熔融拉伸，膜经水解，在聚合物中形成具有阳离子交换能力的磺酸基团，构成阳离子交换分离膜。全氟磺酸阳离子交换膜全氟磺酸阳离子交换膜3 3、渗析技术、渗析技术渗析液溶剂或水AB溶质x1x2原液渗出液渗析的原理借助扩散速度的差将两组分以上的溶质分离。驱动力为浓度差借助扩散速度的差将两组分以上的溶质分离。驱动力为浓度差（化学位）。（化学位）。4 4、高分子电解质型燃料电池、高分子电解质型燃料电池阴极反应：H22H+2e-阳极反应：1/2O2+2H+2e-H2O