分离功能高分子材料.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第三章 分离功能高分子材料,离子交换树脂、高吸水性树脂、,吸附性树脂、螯合性树脂；,高分子絮凝剂、高分子复合物；,高分子分离膜,本章主要内容及要求,（重点章）,掌握,分离功能高分子材料的分类、主要品种及其功能应用,；,了解其构效关系及主要合成方法；,了解高分子功能膜材料的定义及膜分离原理、主要品种及其应用。,重点,：分离功能高分子材料的分类、主要品种及其功能应用。,难点：,分离功能高分子材料的构效关系及主要合成方法、膜分离原理、分类及构效关系。,概述,含义：,利用高分子材料骨架或（与）其上功能基同被分离物质之间的物理或化学作用，如分子间作用力、氢键、偶极相互作用、配位键、离子键、静电吸引力等，与之发生可逆性结合，从而将其从原体系中被分离出来。,形态有树脂型和膜型。,范畴：,树脂型因其功能作用原理，又统称,吸附性高分子,或,吸附性树脂,。包括,离子交换树脂、高吸水树脂、吸附树脂、螯合树脂,。,此外，某些水溶性高分子电解质也有分离功能，包括,高分子絮凝剂,和,高分子复合物,。,膜型即,高分子分离膜,，在此章一并讨论。,结构：,交联网状结构,+,功能基,特点：,由于聚合物骨架及功能基的多样性，可得到,多种性质,的分离功能高分子；,通过控制制备工艺，制备多种多孔性材料，可大大,增加树脂的有效作用面积,；,骨架为固相，只能溶胀，其三维结构决定分离的动力学过程。,合成,：,悬浮聚合法,后交联法,分离功能的影响因素,结构因素,主链及功能基化学组成,骨架极性,功能基亲水性、配位能力、,等,链结构及超分子结构,主链、支链,交联度,结晶及取向,宏观结构,空隙率、粒度、孔径及其分布,外部条件,温度,：,介质,：,其它,：压力、粘度、流速、树脂填充情况、,等,溶解（溶胀）度、选择性、,吸附率、强度、,等,选择性、吸附速率、,吸附率、,等,影响脱吸附、再生过程,极限使用温度,分散作用,与被吸附物质竞争吸附,分离能力,分离方式,分离选择性,3.1,离子交换树脂,化学组成,：,多为,P(St-co-DVB),、,P(,丙烯酸,-co-DVB),交联网状骨架,R,离子交换功能基,R-M,固定离子,R,M,+,可交换离子,M,+,离子键,共价键,图,31,聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图,物理微观结构,：,凝胶型,均相，无孔，溶胀后使用，离子在链间扩散；,大孔型,非均相，毛细孔，比表面大；,载体型,树脂覆于非活性珠粒表面，强度高。,形态：,树脂（珠粒）,图,32,不同物理结构离子交换树脂的模型,离子交换树脂的功能,离子交换功能,最基本最重要的功能,基本性能指标包括：力学强度、交换容量、交换速度、再生速度等。,催化功能,作为固体酸、固体碱催化某些有机反应。,此外，由于其功能基为强极性，,离子交换树脂（主要是大孔型）,与,强极性吸附性树脂界限模糊,，还具有,吸附功能,可逆地吸附非电解质、气体。,脱水功能,干燥时有强亲水性，可从有机相中脱水。,脱色功能,可脱除本质为阴离子或弱极性的色素,树脂中醇的浓度,吸附量,丁醇,乙醇,甲醇,溶液中醇的浓度,图,3,4,离子交换树脂对醇的吸附行为,0.001,0.1,0.01,树脂中的水分,溶剂中残留水分（,ppm,）,1,10,100,1000,（克水,/,克树脂）,4,3,2,1,1,氯仿,2,苯,3,三氯乙烯,4,二氯乙烷,图,3,5,离子交换树脂对不同溶剂的脱水作用,应用,水处理,硬水软化：除钙、镁离子,制备纯水：除无机盐,冶金工业,金属元素的分离、提纯和回收；选矿,核工业,核燃料的分离、提纯、精制和回收；除放射性污染,海洋资源利用,海水淡化,从海洋生物中提取碘、溴、镁等元素,化工,分离；催化；制备高分子试剂；脱水除臭等,食品工业：,脱色，除杂，滤毒,医药卫生：,提纯，制剂,环保：,处理废水废气,3.2,螯合树脂,化学组成：,疏水性交联骨架,+,亲水性配位功能基,（含,O,、,N,、,S,等配位原子的醇、酚、醚、醛、酮、酸、胺等功能基）,功能原理,：,两或两个以上功能基共同作用，通过,离子键或配位键，选择性地螯合金属离子,，使之从原体系中分离出来。,功能：,金属离子的富集、分离、分析、回收,形成高分子金属络合物,，可能是新的功能高分子材料。（如具有热、光、电、磁等性能，或催化功能）,主要性能指标,：基本同离子交换树脂,吸附率,：树脂吸附量达到总吸附量一半时所需的时间。用,t,1/2,表示。,螯合性树脂的分类,按来源,天然：,蛋白质，纤维素，核酸，海藻酸、甲壳素等均含,-NH,-SH,-COOH,-OH,PO(OH),3,等配体；可直接使用，或改性引入新配体。,合成,按结构,配位基在主链上,配位基在侧基上,按配位基组成结构,配位原子为,O:,如,PVA-Cu,；聚丙烯酸类；,-,二酮,配位原子为,N,：如氨基酸、亏类,C=N-OH,、胺、亚胺,配位原子为,P,、,S,、,As,等,配位基为冠醚,（同时为,相转移催化剂,）,2+,月,3.3,吸附树脂,化学组成及结构,：,多孔性高度交联骨架，具有较大比表面和适当孔径,主要是大孔型离子交换树脂。也有微孔型，需溶胀后使用。,功能原理：,依靠,骨架极性,及,孔洞空间结构,，从气相或溶液中,选择性吸附与树脂极性相近的有机物,；高度交联以保证稳定多孔性。,吸附选择性的影响因素：,交联度,骨架化学组成,致孔剂种类及用量,骨架极性,孔性质,比表面,吸附,选择性,吸附性树脂的分类,（根据骨架极性）,非极性树脂,骨架无极性、无功能基，疏水性强；,从极性溶剂中吸附非极性物质。,中极性树脂,含酯基，与亲水基和疏水基皆可发生作用；,从极性溶剂（水）中吸附非或弱极性物质（有机物），或从非极性溶剂（有机相）中吸附极性物质（亲水物质）。,强极性树脂,含极性功能基，,与离子交换树脂无严格界限,；,从非极性溶剂中吸附极性物质,吸附性树脂的特点：,吸附过程无化学反应发生，作用力弱，易再生；,脱附过程：热脱附；溶剂脱附,有较强吸附能力及较好选择性，不受无机盐存在的影响；,性能稳定，抗污染性强，使用寿命长；（需含水保存）,性能可调性大，品种多，可适应多种要求；可按应用要求进行选择和设计；,吸附分离工艺简单，易掌握。,应用,天然产物、中草药有效成分的提取,从甜菊叶中提取甜菊糖；,从银杏叶中提取黄酮苷和萜内酯,处理含有机物废水,如含酚废水、含苯胺、水杨酸、山梨酸、对苯二甲酸等的废水，回收有机酸,血液净化,人工肝、人工肾,除安眠药成分（苯巴比妥）,作为催化剂、酶、药物的载体,凝较色谱柱填料,气相色谱载体,微量分析样品的富集,甜菊糖的提取,甜味成分为甜菊苷,提取工艺：,甜菊叶,FeSO,4,过滤吸附树脂,废水,亲水糖基,-,使其溶于水和低级醇,疏水双萜苷元,-,使其易被吸附,水,（,AB-8,）,70%,乙醇,（脱附）,大孔阳离子,交换树脂,大孔阴离子,交换树脂,浓缩,干燥,产品,：,纯度,80%,（吸附）,（脱色）,（脱色）,（絮凝）,3.4,高吸水性树脂,化学组成：,交联网状骨架,+,强亲水性基团,结构特点与功能原理,亲水基与水形成氢键,；,交联网状结构吸水后溶胀形成凝胶,，具有一定机械强度；同时，特殊的立体结构可以,保水,；,分子量较高。,Flory,用高分子电解质的离子网络理论解释吸水机制：,渗透压和亲水性导致吸水；,吸水引起的网链扩张和交联网链自身的弹性收缩相抗衡，决定吸水能力,形态：,粉末状，膜状，纤维状,高吸水性树脂的种类,（按原料分）：,淀粉类,吸水率高，长期保水和耐热性差,淀粉接枝共聚物 如：淀粉,-,丙烯晴共聚物,淀粉羧甲基化产物,纤维素类,吸水能力较低，可制成织物,纤维素接枝共聚物,纤维素羧甲基化产物,合成树脂类,聚丙烯酸系,吸水性高，强度高，保水性好，稳定性好,聚丙烯晴系,吸水率高，成本低,聚乙烯醇系,聚环氧乙烷系,非电解质，吸水率不高但对盐水吸收能力不降低,其它：非离子型等,高吸水性树脂的合成方法：,接枝共聚,天然高分子骨架,与亲水性高分子接枝,如：纤维素（淀粉）,+,丙烯晴（丙烯酸、丙烯酰胺）接枝共聚 晴基、酯基等水解,羧甲基化,天然高分子骨架,引入羧甲基,如：淀粉,+,环氧氯丙烷 交联产物,纤维素,+,单氯醋酸 羧甲基化纤维素,水溶性高分子交联,如：聚丙烯酸、聚乙烯醇的适度交联,亲水性单体聚合,如：,MA,、,SMA,、丙烯酰胺的聚合,羧甲基化,交联,合成吸水树脂的交联方法：,外加多官能团交联剂,如：多元醇，,PVA,自交联,如：部分中和的丙烯酸钠的聚合,多价金属阳离子交联,如：,AlCl,3,与疏水性单体共聚,高吸水性树脂的基本性质：,吸水性,吸水量可达自身重量的,500-1000,倍；,取决于化学组成、交联程度，还与溶液性质、温度、产品形态粒径等因素有关；,吸盐水率大大降低；,吸水速率与亲水基密度、亲水性强弱、交联度及粒径有关,保水性,吸水后表面成膜，自然保水性好；,水凝胶有弹性，水不易被挤出；,与环境湿度保持平衡；,水凝胶强度,随吸水量增大，强度降低,吸氨性,含羧基的聚阴离子，可吸氨除臭,其它，如增粘性、防雾性、水膨润性等,实例：溶液法合成聚（丙烯酸,-,丙烯酰胺）高吸水性树脂,配方,：,单体,：,丙烯酸（用,NaOH,部分中和，提供亲水基），丙烯酰胺（非离子型单体）,引发剂：,Na2S2O8/NaHSO3,PVA,（脱膜剂）；水,温度,：,30,，,80,性能影响因素,：,丙烯酰胺用量，引发剂用量；中和度；树脂粒径,性能测试,：吸水率，吸盐水率，溶解性，吸水速率，保水性等,应用,农林,土壤保水剂、改良剂,幼苗移植、种子用保水剂,果蔬保鲜剂,工业,涂料填加剂,脱水剂,堵水、密封剂,医药卫生,3.5,高分子絮凝剂,水溶性线形大分子聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、,PVA,等，属于,聚电解质,，具有电解质的性质和作用。,种类,阳离子型,：侧基、支链有正电荷的聚丙烯酰胺衍生物，或主链上含季胺离子,阴离子型,：聚丙烯酸或聚丙烯酰胺及其水解产物，含羧基；聚苯乙烯磺酸钠,非离子型,：聚丙烯酰胺、聚氧化乙（丙）烯,高分子絮凝剂的,功能原理：,工业废水、生活污水等水悬浮体系或胶体分散相中的固体颗粒物难于自然沉降，需使其絮凝沉积进行固液分离。,高分子电解质的长链通过,吸附架桥,或,表面吸附,而形成絮团凝聚，（一个微粒吸附两条长链或一条长链同时吸附两个或数个微粒）；或通过,电荷中和作用,使胶粒碰撞而聚集沉降。,絮凝性能主要由分子量及其分布、组成结构及电荷量决定。,吸附架桥,表面吸附,高分子絮凝剂的,特点：,分子量大（几十、几百甚至上千万），可起到几十、数百个低分子絮凝剂的作用，同时吸附数个数十个胶体微粒形成架桥，,絮体大，沉降快，用量少，效果好,；,污泥量少且易于脱水处理。,应 用,净水用,高碑店污水处理厂：聚丙烯酰胺,土壤改良,石油开采中的驱油剂,液体输送减阻剂,增稠剂,3.6,高分子复合物,功能,：,分离水中金属离子,所得高分子,-,金属复合物具有新的特性、功能,原理：,可溶性高分子,A,可溶性高分子络合物,A,带金属离子的高分子复合物,A-B,（沉淀）,络合金属离子,与高分子,B,复合,（离子键、氢键、配位键等）,类别,结构性质,功能作用原理及使用场合,吸附树脂,交联；,非离子型,相当于活性炭、分子筛；,利用骨架结构及其极性使极性不同的物质分离,高吸水树脂,交联；,亲水型,利用极性骨架、亲水性功能基及网状结构吸收并保持大量水分,螯合树脂,交联；,金属阳离子配位型,相当于络合性试剂；,利用骨架上的配位原子或基团选择性络合金属阳离子,离子交换树脂,交联；,离子型,相当于小分子酸或碱；,利用骨架上酸（碱）性功能基交换阳（阴）离子,高分子絮凝剂,高分子复合物,水溶性；,电解质,相当于小分子絮凝剂；,利用吸附架桥或电荷中和使悬浮颗粒絮凝沉降,3.7,高分子分离膜,膜,:,将一个流体相分隔为两部分或将两个流体相分隔开的,薄层凝聚相,物质。,膜的相态,：固态，液态，或气态。,膜的适用体系,：水，非水溶液，水溶胶，含微粒的水溶液，混合气体。被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。,膜分离法,：利用膜对物质的,选择透过性,从物质群中透过或输送特定的物质，从而实现混合物组分的分离。,膜分离法的特点,：,过程无相变（渗透蒸发膜除外）；低能耗、低污染、低成本；,一般常温进行；尤其适用于对高温敏感的物质（如生化试剂）；,装置简单，操作容易，制造方便，应用范围广（无机、有机、生物制品），无二次污染。,3.7.1,膜分离过程的原理,膜分离过程的推动力,混合物的分离过程是自发混合过程的逆过程，,不能自发完成,，需外界推动力：,浓度差,（渗透压，化学能）,压力差,（机械能）,温度差,（热能）,电位差,（电能）,膜分离气体的机制,：,非多孔均质膜的,溶解扩散机制,分子溶解在膜中，在某种驱动力下作活性扩散。透过量主要与分子大小及膜材质有关。,多孔膜的,透过扩散机制,不同分子通过膜中孔时产生速度差。分离过程主要取决于膜的结构。,膜分离液体的机制,：,对混合溶剂的分离采用气体分离的机制处理；,对溶质的分离机制理论尚不完善：,过筛机制,分子或其聚集态尺寸与分离膜网孔尺寸决定通过网孔的过程；,溶解扩散机制,任何膜分离过程都不仅是一种过程机制起作用；除溶解、扩散、过筛外，还可能涉及吸附、交换等作用。,因此，膜分离过程取决于膜的组成和结构、被分离物质的体积和性质、及两者间的相互作用,膜分离过程可概述为以下三种形式：,渗析式膜分离,：料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析等；,过滤式膜分离,：利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等；,液膜分离,：液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接受液相当于反萃取。,3.7.2,高分子分离膜的构效关系,高分子膜材料的化学组成,基本特征,：含亲水性极性基团；主链有苯环、杂环等刚性基团；化学稳定性好；具有可溶性。,材质,合成高分子膜材,：,聚砜类,、,聚酰胺类,、芳香杂环类、乙烯基类（如,PVC,）、离子交换树脂类。,无机高分子,陶瓷微孔膜,、金属、玻璃膜,有机高分子,天然：细胞膜、膀胱膜、肠衣,半天然：,合成：,纤维素酯类,类 别,膜材料,举 例,纤维素酯类,纤维素衍生物类,醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等,非纤维素酯类,聚砜类,聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等,聚酰,(,亚,),胺类,聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等,聚酯、烯烃类,涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等,含氟,(,硅,),类,聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等,其他,壳聚糖，聚电解质等,表,4,1,膜材料的分类,纤维素酯类,：性能稳定，只在高温和酸碱存在下水解；易受微生物侵蚀，,PH,适应范围较窄。,醋酸纤维素,聚砜、聚芳砜类,：热、化学、水解稳定性好，强度高，,PH,适应范围广（,1-13,），耐高温（,120,），抗氧化性、抗氯性好。,芳香族聚酰胺类,：,PH,适应范围较广（,3-13,），盐水分离率高，长期使用稳定性好；对,氯敏感。,离子交换膜,磺化聚苯乙烯、聚苯醚、聚砜,膜的结构与性能的关系,膜的元素化学组成,膜的链结构,膜的微观形态（链构象）,膜的结晶态（聚集态结构）,膜的物理形态,管状膜,中空纤维膜,板状,亲水,/,油性,溶解性,稳定性,力学性能,热性能,使用范围,透过性,选择性,分离性能,适用场合,特点,透过性,溶胀性,毛细作用,结晶性,溶解,/,溶胀性,膜液粘度,溶解性,力学性能,选择性,3.7.3,高分子分离膜的制备工艺,相转变法,：将均质制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或制膜液，使液相转变为固相。,流涎法,：制膜液在模具（玻璃、金属或塑料基板）中流涎成薄层；,纺丝法,：制膜液经抽丝形成中空纤维。,起分离作用的为表面致密层，,0.25-1,微米。,复合膜化法,：将制膜液通过某种方法在,多孔支持层,上形成表面超薄层。,成膜方法,：涂覆、表面缩聚或等离子体聚合等；,多孔支持层,：玻璃、金属、陶瓷、,聚砜,等；,起分离作用的为表面超薄活性层，,0.01-0.1,微米；,力学性能好，化学稳定性好，耐压密性好。,所得,膜的物理形态,均质膜（对称膜）,：多孔；非多孔,非均质膜（不对称膜）,：有表面致密层或表面活性层、过渡层、多孔层等多层结构,半均质膜,复合膜,：包含不同材质的两层或多层膜结构,膜的保存,防微生物,腐蚀,(,主要发生在醋酸纤维素膜,),防水解、氯解,破坏,防冷冻,使膜膨胀而破坏结构,脱水,收缩变形，破裂,3.7.4,高分子分离膜的分类,按膜体相态分,：,固态膜、液态膜、气态膜；,按来源、材质分,：,天然、合成、无机、有机,（如前,3.7.2,）,按膜体物理形态分,：,均质、非均质、复合（如前,3.7.3,）,按膜的形状分,：,平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜、核孔膜,按膜体多孔结构分,：,致密膜、多孔膜,按分离原理和功能分,：,微孔过滤膜、超过滤膜、反渗透膜,、渗析膜、渗透蒸发膜、气体分离膜、,离子交换膜,微孔膜,大孔膜,典型的膜分离技术有微孔过滤,(MF),、超滤,(UF),、反渗透,(RO),、纳滤,(NF),、渗析,(D),、电渗析,(ED),、液膜,(LM),及渗透蒸发,(PV),等。,膜过程,推动力,传递机理,透过物,截留物,膜类型,微滤,压力差,颗粒大小形状,水、溶剂溶解物,悬浮物颗粒,纤维多孔膜,超滤,压力差,分子特性大小形状,水、溶剂小分子,胶体和超过截留分子量的分子,非对称性膜,纳滤,压力差,离子大小及电荷,水、一价离子、多价离子,有机物,复合膜,反渗透,压力差,溶剂的扩散传递,水、溶剂,溶质、盐,非对称性膜复合膜,表,3,2,几种主要分离膜的分离过程,膜过程,推动力,传递机理,透过物,截留物,膜类型,渗析,浓度差,溶质的扩散传递,低分子量物、离子,溶剂,非对称性膜,电渗析,电位差,电解质离子的,选择传递,电解质离子,非电解质，,大分子物质,离子交换膜,气体分离,压力差,气体和蒸汽的,扩散渗透,气体或蒸汽,难渗透性气,体或蒸汽,均相膜、复合膜，非对称膜,渗透蒸发,压力差,选择传递,易渗溶质或溶剂,难渗透性溶,质或溶剂,均相膜、合,膜，非对称膜,液膜分离,浓度差,反应促进和,扩散传递,杂质,溶剂,乳状液膜支,撑液膜,续上表,3.7.5,离子交换膜,化学结构,同离子交换树脂：交联高分子骨架,+,离子交换功能基；,按功能基性质，分为阳膜、阴膜、双极膜,磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜最常用,.,功能原理,阳膜允许阳离子透过,，阻挡阴离子；,阴膜允许阴离子透过,，阻挡阳离子。,在电场作用下对,溶液中的离子按,电荷性质不同进,行选择性透过；,+,阴膜,+,+,离子交换膜与离子交换树脂的比较,离子交换树脂,离子交换膜,化学组成,交联高分子骨架,+,离子交换功能基,材料形态,树脂,膜,作用原理,交换基中自由离子选择性地与溶液中同电性离子进行交换,对溶液中的离子按电荷性质不同进行选择性透过,再生方法,阳离子交换树脂用酸洗,阴离子交换树脂用碱洗,不需再生,主要应用,制纯水，冶金选矿，天然产物提纯，制高分子试剂，催化，脱水脱色,海水浓缩，制酸或碱，高压渗析,按膜的结构与功能可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种：,普通离子交换膜,一般是均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；,双极离子交换膜,由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；,镶嵌膜,由排列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的分离等。,电渗析法处理海水,电渗析,：在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为,电泳,。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为,电渗析,。,电位差驱动,离子交换膜应用的实例：,离子交换膜应用的实例：,淡化海水,浓缩制盐,淡,浓,淡,浓,淡水,浓水,1,2,3,4,原水,阳膜,阳膜,阳膜,阴膜,阴膜,Na+,Na+,Na+,Na+,Cl-,Cl-,Cl-,Cl-,阳极,阴极,+,-,扩散渗析法回收酸：,浓差驱动,阴膜,挡板,挡板,H,+,H,+,OH,-,SO,4,2-,Fe,2+,废液,水,扩散液,H,2,SO,4,废酸液,H,2,SO,4,+FeSO,4,离子交换膜应用的实例：,膜电解食盐,基本原理,：在两个电极之间加上一定电压，则阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜允许,Na+,渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动,NaOH,Cl,2,H,2,O,NaCl,阳极,+,阴极,-,Na+,阳膜,Cl-,H2,OH-,H+,阳极室的反应：,2 Na+2 H2O+2 e=2 NaOH+H2,阴极室的反应：,2 Cl,2 e=Cl2,用氟代烃单极或双极膜制备的的电渗析器已成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了其他制备氢氧化钠的方法。,如果在膜的一面涂上一层阴极的催化剂，在另一面涂一层阳极催化剂，在这两个电极上加上一定的电压，则可,电解水,，在阳极产生氢气，而在阴极产生氧气。,此外，离子交换膜还大量应用于,氯碱工业,。全氟磺酸膜（,Nafion,）以化学稳定性著称，是目前为止唯一能同时耐,40,NaOH,和,100,温度的离子交换膜，因而被广泛应用作食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。,3.7.6,微滤、超滤、反渗透,皆为,压力差驱动,的过程，,它们,分离物质的粒径依上述次序减小，,组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。,一般来说，分离溶液中,分子量低于,500,的低分子物质，应该,采用反渗透膜,；分离溶液中,分子量大于,500,的大分子或极细的胶体粒子,可以选择,超滤膜,，而分离溶液中的,直径,0.1,10m,的粒子,应该选,微孔膜,。,以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。,微孔过滤（,MF,，微滤）膜,作用原理,：膜孔对溶液中的悬浮微粒有,筛分作用,；在压差作用下，大于孔径的被截留，小于孔径的随溶剂透过。,膜体形态,：开放式网格结构，,均匀的多孔薄膜，厚度在,90,150m,左右,孔径尺寸,：,0.1-10,微米；可筛分粒径,0.05,微米,操作压力,0.3MPa,优点,：,孔径均匀，过滤精度高,。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；,孔隙大，流速快,。一般微孔膜的孔密度为,10,7,孔,/cm,2,，微孔体积占膜总体积的,70,80,。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；,无吸附或少吸附,。微孔膜厚度一般在,90,150m,之间，因而吸附量很少，可忽略不计。,无介质脱落,。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。,缺点：,颗粒容量较小，,易被堵塞,；,使用时,必须有前道过滤的配合,，否则无法正常工作。,应用,：,微粒和细菌的过滤,；净化气体、溶剂、水，精制食品、药物，测定微粒细菌含量。,如用于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。,如：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。,到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有,13,类，总计,400,多种。,超过滤（,UF,，超滤）膜,作用原理,：盐水侧与纯水侧的压差大于渗透压时，水由盐水侧流向纯水侧，是渗透的逆过程。,分离截留的原理为,筛分,，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。,孔径尺寸,：,1-100,纳米，,介于微滤和反渗透之间,；分子量截留值,1000-,上百万；,截留各种可溶性大分子,，如多糖、蛋白质、酶等大分子及胶体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。,膜体形态,：,均为不对称膜（,非均质膜），二或三层结构。,最上层：,表面活性层,，致密而光滑，厚度为,0.1,1.5m,，其中细孔孔径一般小于,10nm,；,中间：,过渡层,，具有大于,10nm,的细孔，厚度一般为,1,10m,；,最下面：,支撑层,，厚度为,50,250m,，具有,50nm,以上的孔。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度层,。,操作压力,1MPa,膜的形状,：平板式、管式、卷式、中空纤维,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,醋酸纤维素超滤膜：,pH=3,8,，,三醋酸纤维素超滤膜：,pH=2,9,，,芳香聚酰胺超滤膜：,pH=5,9,，温度,0,40,，,聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过,100,。,特点,：,有浓差极化现象，液流方向与过滤方向垂直。,应用,：,主要用于,从溶液中,截留,含分子量,500,500,000,的微粒溶液,，是目前应用最广的膜分离过程之一，应用领域涉及化工、食品、医药、生化等：,可溶性大分子，大分子的分级,；,制备纯水，生产电泳漆；,分离或分级蛋白质、多糖；,提取药物成分；,废水处理,如汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理：,汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有,1,2,的涂料（高分子物质），用超滤装置可分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。,食品工业中的废水处理。,在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。,纯水的制备,。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。,反渗透（,RO,）膜,目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。,作用原理、膜体形态、膜的形状,：同,U F,。,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。,反渗透,渗透,图,34,渗透与反渗透原理示意图,孔径尺寸,：,0.5,纳米；,分子量截留值,500,。（两者无严格界限，范围有交叉）,操作压力,1MPa,应用,：可,截留溶质分子,；制备各种品质的水，生物制剂及中药提纯、浓缩药液，污水处理，医疗装置（人工肾）用膜。,RO,血液,蛋白质等,尿毒素,液体,蛋白质等,同体积无菌水,体内,输回体内,纯净水制备工艺流程：,除有机物、,大分子,自来水,机械过滤,吸附过滤,离子交换树脂,软水器,*,反渗透,一级或二级,紫外线灭菌,臭氧保鲜,纯水,除泥沙等,悬浮物,活性炭,除氯、,色素等,除,Ca2+,、,Mg2+,*RO,：聚酰胺复合膜,分离技术类型,反渗透,超滤,微孔过滤,膜的形式,表面致密的非对称膜、复合膜等,非对称膜，表面有微孔,微孔膜,膜材料,纤维素、聚酰胺等,聚丙烯腈、聚砜等,纤维素、,PVC,等,操作压力,/MPa,2,100,0.1,0.5,0.01,0.2,分离的物质,分子量小于,500,的小分子物质,分子量大于,500,的大分子和细小胶体微粒,0.1,10m,的粒子,分离机理,非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用,筛分，膜的物化性能对分离起一定作用,筛分，膜的物理结构对分离起决定作用,水的渗透通量,/(m,3,.m,-2,.d,-1,),0.1,2.5,0.5,5,20,200,表,33,反渗透、超滤和微孔过滤技术,的原理和操作特点比较,3.7.7,几种新的膜分离技术,气体分离膜,气体的膜分离法是分离过程中,最节能,的方法。,类型,：非多孔均质膜和多孔膜。它们的分离机理各不相同。,材料,：根据不同的分离对象，气体分离膜采用不同的制备,1,）,H,2,的分离,：美国,Monsanto,公司,1979,年首创,Prism,中空维复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主要有醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等。,2,）,O,2,的分离富集：,聚二甲基硅氧烷（,PDMS,）及其改性产品和含三甲基硅烷基的高分子材料。,3,）,CO,2,富集膜,：大部分为富氧膜，若在膜材料中引入亲,CO,2,的基团，如醚键、苯环等，可大大提高,CO,2,的透过性。,4,）若在膜材料中引入亲,SO,2,的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜等），则能够大大提高,SO,2,分离膜,的渗透性能和分离性能。,5,）具有亲水基团的芳香族聚酰亚胺和磺化聚苯醚等对,H,2,O,有较好的分离作用。,重点研究领域,：,气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品，已有不少产品用于工业化生产。,H,2,、,CO,2,、,O,2,、,N,2,等气体的分离,；,He,的富集和气态烃的脱水；,环保中含,S,、,N,等酸性气体的分离,研究现状,：,膜材料：,聚二甲基硅氧烷及其改性材料、聚,4-,甲基戊烯,等,H,2,、,He,气的分离富集：,Du Pond,的聚酯类中空纤维膜，分离,H,2,，,对组成为,70,H,2,，,30,CH,4,，,C,2,H,6,，,C,3,H,8,的混合气体进行分离，可获得含,90,H,2,的分离效果。,合成氨尾气中回收,H,2,O,2,与,N,2,的分离富集：,富氧膜，人工肺膜：改性聚二甲基硅氧烷；（已工业化）,CO,2,、,SO,2,、,H,2,O,的回收和脱除,渗透蒸发膜,渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。,应用领域：对传统分离手段难以处理的,共沸物、近沸点物系、微量水的脱除,等有独特优势。,醇类脱水；去除水中少量有机溶剂,具有一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。,原理,：利用混合液中两组分在膜中,溶解度及扩散系数的差异,，通过渗透、蒸发实现分离。,过程,：由高分子膜将装置分为两个室,存放待分离混合物的液相室；与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室。混合物通过高分子膜的选择渗透，其中某一组分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压，因而在膜表面汽化。蒸气随后进入冷凝系统，通过液氮将蒸气冷凝下来即得渗透产物。,渗透蒸发过程的,推动力,：膜内渗透组分的浓度梯度。,溶液相,组分,A,组分,B,膜,蒸汽相,组分,A,真空汽化,/,惰气吹扫,冷阱,组分,A,（*扩散系数、溶解度：,AB,）,图,36a,渗透蒸发分离示意图,(,真空气化,),图,3,6b,渗透蒸发分离示意图,(,惰性气体吹扫,),渗透蒸发技术的应用领域,渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技术已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很高的单级分离度，节能且适应性强，易于调节。,目前渗透蒸发膜分离技术已在无水乙醇的生产中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇相比，可大大降低运行费用，且不受汽,液平衡的限制。,除了以上用途外，渗透蒸发膜在其他领域的应用尚都处在实验室阶段。,本章复习思考题,1.,具有分离功能的高分子树脂有哪几种？它们在结构及化学组成上有什么共同点？各自用于分离什么物质？分离原理分别如何？都有哪些应用？,2,.,离子交换树脂分为哪几类？各举一例并写出化学结构式,3.,离子交换树脂都有哪些功能？,4.,从结构、功能到应用分析离子交换树脂与吸附性树脂有何相同之处？,5.,试比较微滤、超滤与反渗透,。,(,从分离原理、孔径尺寸或可筛分粒径、膜横截面物理形态、特点及应用场合进行比较,),6.,试比较离子交换树脂与离子交换膜（从组成结构、物理形态、再生方法、分离原理及应用分析）,7.,高吸水树脂的基本性质有那些？,8.,纤维素酯膜、芳香族聚芳砜膜、芳香族聚酰胺膜分别有什么特点？,7.,电渗析法淡化海水、浓缩制盐的原理如何,？,8.,膜分离过程的驱动力主要有哪些？,9.,举出四种形状的高分子分离膜。,