功能高分子化学课件第三章-离子交换膜及分离膜-文档资料.ppt

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图例,1,2026/10/18,3,图例,2,2026/10/18,4,图例3,2026/10/18,5,图例,4,2026/10/18,6,膜的分类,阳离子交换膜有强酸膜，中等酸度膜和弱酸膜三种。,阴离子交换膜有强碱，中等碱和弱碱膜三种。,特殊性能的膜有表面涂层膜，双极膜，两性膜及镶嵌膜。,按用途分类，有电解槽隔膜，电池隔膜，渗透膜，电渗析膜，,人工肾膜及仿生膜等。,2026/10/18,7,2.3,离子交换膜的选择透过现象,图例,5,2026/10/18,8,图例6,2026/10/18,9,图例7,2026/10/18,10,2.4,离子交换膜的一般性能和用途,离子交换膜的一般性能，常用物理、化学、电化学性能表示：,应平整，均一，无针孔，并且有一定的机械强度和柔韧性。,应具有必要的选择透过性，这就要求有较高的交换容量。,应具有较高的导电性能，特别是应用在传导电流的设备中。,应具有较好的形态稳定性，故膜的溶胀度不应太大。,应具有耐高温，抗氧化，抗酸（或碱）腐蚀及耐有机溶剂等性能。,离子交换膜在各个方面的应用,脱盐或纯化,浓缩或分离,置换,水解,复分解,电解、氧化、还原以及电化合成,2026/10/18,11,2026/10/18,12,电渗析器，异相,离子交换膜,引自百度,2026/10/18,13,电解食盐水装置,引自百度,2026/10/18,14,管状离子交换膜,引自百度,2026/10/18,15,质子交换膜燃料电池工作原理,引自百度,2026/10/18,16,引自百度,2026/10/18,17,第二节,高分子分离膜,2.1,概述,2.1.1,分离膜与膜分离技术的概念,分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质,的分隔两相或两部分的界面。,膜的形式可以是固态,的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是,液态的，也可以是气态的。膜至少具有两个界面，,膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行,传递。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以,是半透过性的，但不能是完全不透过性的。,膜在生,产和研究中的使用技术被称为膜技术。,2026/10/18,18,随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广,度的开拓，物质的分离已成为重要的研究课题。分,离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离；异,种物质的分离；不同物质状态的分离等。,在化工单元操作中，常见的分离方法有筛分、,过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。,然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生,物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实,现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无,实用价值。,2026/10/18,19,具有选择分离功能的高分子材料的出现，使上,述的分离问题迎刃而解。膜分离过程的主要特点是,以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质,分子尺寸的分离和混合物组分的分离。膜分离过程,的推动力有浓度差、压力差和电位差等。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、电位差的,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；,2026/10/18,20,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。,2026/10/18,21,膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择,渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分,离技术。膜分离过程的共同优点是成本低、能耗,少、效率高、无污染并可回收有用物质，特别适合,于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、,生物物质组分等混合物的分离，因而在某些应用中,能代替蒸馏、萃取、蒸发、吸附等化工单元操作。,实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到较,好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常,有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合,起来使用，使技术投资更为经济。,2026/10/18,22,膜分离过程没有相的变化,(,渗透蒸发膜除外,),，常温下即可操作；由于避免了高温操作，所浓缩和富集物质的性质不容易发生变化，因此在膜分离过程食品、医药等行业使用具有独特的优点；膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。由于上述优点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用于,化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水淡化,等领域。,2026/10/18,23,2.1.2,膜分离技术发展简史,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。,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。,2026/10/18,24,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，,Du Pont,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。,2026/10/18,25,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。,2026/10/18,26,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。,由于膜分离技术具有高效、节能、高选择、多功能等特点，分离膜已成为上一世纪以来发展极为迅速的一种功能性高分子。,2026/10/18,27,2.1.3,功能膜的分类,1.,按膜的材料分类,表,41,膜材料的分类,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,2026/10/18,28,2.,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.,按膜断面的物理形态分类,根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为,对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中,空纤维膜等。,2026/10/18,29,4.,按功能分类,日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为,分离功能膜,（包括气体分离膜、液体分离膜、离子,交换膜、化学功能膜）、,能量转化功能膜,（包括浓,差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能,转化膜，导电膜）、,生物功能膜,（包括探感膜、生,物反应器、医用膜）等。,2026/10/18,30,2.1.4,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所示。,2026/10/18,31,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,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,2026/10/18,32,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、复合,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,2026/10/18,33,2.2,膜材料及膜的制备,2.2.1,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。,2026/10/18,34,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。,2026/10/18,35,1.,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,甙链,连接起来的天然线性高分子化合物，,其结构式为：,2026/10/18,36,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。,C,6,H,7,O,2,+(CH,3,CO),2,O,C,6,H,7,O,2,(OCOCH,3,),2,+H,2,O,C,6,H,7,O,2,+3(CH,3,CO),2,O,C,6,H,7,O,2,(OCOCH,3,),3,+2 CH,2,COOH,2026/10/18,37,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。为了改进其性能，进一步提高分离,效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤,维素的混合物来制膜，也可采用醋酸纤维素与硝酸,纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、,醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。,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。,2026/10/18,38,2.,非纤维素酯类膜材料,（,1,）非纤维素酯类膜材料的基本特性,分子链中含有亲水性的极性基团；,主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有,高的抗压密性和耐热性；,化学稳定性好；,具有可溶性；,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。,2026/10/18,39,（,2,）主要的非纤维素酯类膜材料,（,i,）聚砜类,聚砜结构中的特征基团为 ，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。,聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、,N,甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。,2026/10/18,40,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。这类树脂中，,目前的代表品种有：,2026/10/18,41,2026/10/18,42,（,ii,）聚酰胺类,早期使用的聚酰胺是,脂肪族聚酰胺,，如尼龙,6,、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/cm,2,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/cm2h,。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,。,2026/10/18,43,Du Pont,公司生产的,DPI,型膜,即为由此类膜材,料制成的，它的合成路线如下式所示：,2026/10/18,44,类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：,2026/10/18,45,（,iii,）芳香杂环类,聚苯并咪唑类,如由,美国,Celanese,公司研制的,PBI,膜,即为此种类型。这种膜材料可用以下路线合成：,2026/10/18,46,聚苯并咪唑酮类,这类膜的代表是日本帝人公司生产的,PBLL,膜，,其化学结构为：,这种膜对,0.5,NaCl,溶液的分离率达,90,95,，并有较高的透水速率。,2026/10/18,47,聚吡嗪酰胺类,这类膜材料可用界面缩聚方法制得，反应式为：,2026/10/18,48,聚酰亚胺类,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。,2026/10/18,49,其中，,Ar,为芳基，对气体分离的难易次序如下：,H,2,O,，,H(He),，,H,2,S,，,CO,2,，,O,2,，,Ar(CO),，,N,2,(CH,4,),，,C,2,H,6,，,C,3,H,8,易 难,聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，因此开发了,可,溶性聚酰亚胺,，其结构为：,2026/10/18,50,（,iv,）离子性聚合物,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。,2026/10/18,51,2026/10/18,52,（,v,）乙烯基聚合物,用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇,/,苯乙烯磺酸、聚乙烯醇,/,磺化聚苯醚、聚丙烯腈,/,甲基丙烯酸酯、聚乙烯,/,乙烯醇等。聚乙烯醇,/,丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。,2026/10/18,53,2026/10/18,54,引自,baidu,2026/10/18,55,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,