1、第三單元第三單元 新型功能材料新型功能材料 3.5 光導(dǎo)纖維3.5.1 光導(dǎo)纖維及光導(dǎo)原理光導(dǎo)纖維及光導(dǎo)原理 光導(dǎo)纖維是一種由折射率較大的纖芯和折光導(dǎo)纖維是一種由折射率較大的纖芯和折射率較小的包層構(gòu)成的可以自由彎曲的導(dǎo)光射率較小的包層構(gòu)成的可以自由彎曲的導(dǎo)光材料。材料。 光纖的作用是將始端的入射光線傳輸?shù)浇K光纖的作用是將始端的入射光線傳輸?shù)浇K端，利用光來傳輸信息和圖像。端，利用光來傳輸信息和圖像。1871年，英國物理學(xué)家丁達(dá)爾作的演講實(shí)驗(yàn)1) 光導(dǎo)纖維的特性光導(dǎo)纖維的特性 傳輸損耗小傳輸損耗小 引起損耗的主要原因是光的吸收與散射引起損耗的主要原因是光的吸收與散射 傳輸頻帶寬傳輸頻帶寬 機(jī)械性能

2、好機(jī)械性能好 光纖極細(xì)且很長，要求它具有很高的強(qiáng)度和光纖極細(xì)且很長，要求它具有很高的強(qiáng)度和抗疲勞能力抗疲勞能力2)分類 一類是芯皮型結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維。中央有一根芯，直徑只有幾十微米，芯的四周是一圈包覆層。芯是用折射率高的透明玻璃材料做成的，包覆層則是用折射率低的玻璃或塑料做成的。 另一類光導(dǎo)纖維叫目聚焦纖維，這類光導(dǎo)纖維好像是由許多微型透鏡組成的，能迫使入射光線逐漸自動地向纖維的中心軸方向靠攏，進(jìn)行聚焦，由此保證入射光線不會從纖維材料中漏出去。 b光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖n1n2 光導(dǎo)纖維 光纖傳輸像光在光導(dǎo)纖維中的傳播光在光導(dǎo)纖維中的傳播 在光纖中，光的傳送利用光的全反射原在光纖

3、中，光的傳送利用光的全反射原理，理， 當(dāng)入射進(jìn)光纖芯子中的光與光纖軸線的當(dāng)入射進(jìn)光纖芯子中的光與光纖軸線的交角小于一定值時(shí)，光線在界面上發(fā)生全反射。交角小于一定值時(shí)，光線在界面上發(fā)生全反射。這時(shí)，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折這時(shí)，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進(jìn)，但不會穿出包層，完全避免了光在傳輸前進(jìn)，但不會穿出包層，完全避免了光在傳輸過程中的過程中的 折射損耗。折射損耗。 22001cossincladcoreicoreextnnnNAnnNA0222sin2nnNAnnnnnncoreextcorecladcorecorecladcorecorencladncladnextin

4、ii10nRay Picture of Optical Fibers (N.A)（2）聚合物光纖）聚合物光纖 3.5.2 光纖材料光纖材料 （1）石英玻璃光纖）石英玻璃光纖 （3）非氧化物光纖）非氧化物光纖 （4）晶體光纖）晶體光纖 石英光纖母體材料的制備方法示意圖石英光纖母體材料的制備方法示意圖 42223225224326SiClOSiOClPOClOPOCl化學(xué)氣相沉積法制石英光纖化學(xué)氣相沉積法制石英光纖2000左右左右 加熱熔化預(yù)型件加熱熔化預(yù)型件拉絲過程最重要的是拉絲過程最重要的是 控制纖維直徑的恒定?？刂评w維直徑的恒定。 為此必須嚴(yán)格穩(wěn)定為此必須嚴(yán)格穩(wěn)定 爐溫和控制氣氛的變化。爐溫

5、和控制氣氛的變化。拉絲裝置拉絲裝置3.5.3 光導(dǎo)纖維的應(yīng)用光導(dǎo)纖維的應(yīng)用 上圖為6芯光纜上圖為現(xiàn)代通信用的光纜，是光導(dǎo)纖維制作的左圖為48芯光纜的橫斷面 工業(yè)內(nèi)窺鏡工業(yè)內(nèi)窺鏡 光學(xué)纖維變換器光學(xué)纖維變換器 醫(yī)學(xué)纖維鏡醫(yī)學(xué)纖維鏡 電耦合器件連接器電耦合器件連接器 交通信號指示燈交通信號指示燈 光學(xué)纖維板光學(xué)纖維板 傳感和傳能光纖傳感和傳能光纖用光導(dǎo)纖維制作的內(nèi)窺鏡，可以觀察人體的內(nèi)臟 3.6 液晶材料NOH3CNO CH3O4,4-二甲氧基氧化偶氮苯二甲氧基氧化偶氮苯 熔點(diǎn)熔點(diǎn)116，形成渾濁液體；，形成渾濁液體；134時(shí)突變?yōu)橥该饕后w時(shí)突變?yōu)橥该饕后w液晶物質(zhì)的相態(tài)變化液晶物質(zhì)的相態(tài)變化液晶液

6、晶Liquid Crystal液晶小分子液晶小分子液晶高分子液晶高分子高分子量分子取向特特 性性高強(qiáng)度、高模量高強(qiáng)度、高模量航天，航空航天，航空 膨脹系數(shù)小膨脹系數(shù)小光導(dǎo)纖維被覆光導(dǎo)纖維被覆 微波吸收系數(shù)小，耐熱性好微波吸收系數(shù)小，耐熱性好微波爐具微波爐具 鐵電性鐵電性顯示器件顯示器件 高流動高流動3.6.1 液晶的化學(xué)結(jié)構(gòu)液晶的化學(xué)結(jié)構(gòu)液晶基元：高分子液晶中具有一定長徑比的結(jié)構(gòu)單元。液晶基元：高分子液晶中具有一定長徑比的結(jié)構(gòu)單元。液晶液晶基元基元棒狀棒狀(或條狀或條狀) 長徑比大于長徑比大于4雙親性分子雙親性分子盤狀盤狀 軸比小于軸比小于1/4 NHNHCCOO熱致型：依靠升高溫度，在某一溫

7、度范圍內(nèi)形成熱致型：依靠升高溫度，在某一溫度范圍內(nèi)形成 溶致型：依靠溶劑溶解，在一定的濃度范圍內(nèi)形成溶致型：依靠溶劑溶解，在一定的濃度范圍內(nèi)形成早期的液晶大多是剛性棒狀早期的液晶大多是剛性棒狀的分子的分子 中心橋鍵的結(jié)構(gòu)與液晶性能中心橋鍵的結(jié)構(gòu)與液晶性能密切相關(guān)密切相關(guān) 苯六正烷基羧酸酯 無中心橋鍵，對光、電具無中心橋鍵，對光、電具有很高的穩(wěn)定性，粘度特有很高的穩(wěn)定性，粘度特別低別低 聚對苯二甲酰對苯二胺 高分子液晶高分子液晶OOOOOOROROROROROROMXYnmM: 中心橋鍵n, m=1, 2, .C NO HNHCOn3.6.2 分類近晶型：分子排列方向一致，成層狀。分子層之間近晶

8、型：分子排列方向一致，成層狀。分子層之間 可以相對滑動，分子在本層內(nèi)可以活動。各方向上可以相對滑動，分子在本層內(nèi)可以活動。各方向上 粘度都很大。粘度都很大。 向列型：分子軸平行排列，棒狀分子很容易沿流動向列型：分子軸平行排列，棒狀分子很容易沿流動 方向取向而具有很好的流動性。方向取向而具有很好的流動性。 膽甾型：分子平行排列成層狀，各層的分子軸向依膽甾型：分子平行排列成層狀，各層的分子軸向依次規(guī)則地轉(zhuǎn)過一定的角度，形成螺旋結(jié)構(gòu)。次規(guī)則地轉(zhuǎn)過一定的角度，形成螺旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)液晶分子的排列形式與有序性根據(jù)液晶分子的排列形式與有序性近晶型近晶型 向列型向列型 膽甾型膽甾型6.3 應(yīng)用目前廣泛普及的LC

9、D的一種就是基于這種方式，在白的背景下可以顯示黑，在黑的背景下可以顯示白。液晶顯示器 液晶顯示器的構(gòu)造液晶顯示器的構(gòu)造 圖為用于儀表數(shù)字顯示的反射式TN型LCD的端面結(jié)構(gòu)。 反射式TN型LCD的端面結(jié)構(gòu)玻璃基板透明電極外周封接劑分子取向?qū)悠衿衿肿尤∠驅(qū)右壕该麟姌O 玻璃基板 反射板液晶顯示器的驅(qū)動液晶顯示器的驅(qū)動 液晶顯示器驅(qū)動用電極結(jié)構(gòu)及其用途： 1、，主要用于數(shù)字顯示、模擬圖形顯示； 2、，用于符號顯示、圖案顯示； 3、，字符顯示、圖形顯示、電視畫面 顯示。 液晶顯示器液晶顯示器垂直線性偏光垂直線性偏光器器 玻璃薄片玻璃薄片 透明透明X電極電極 校準(zhǔn)層校準(zhǔn)層 液態(tài)晶體流液態(tài)晶體流

10、校準(zhǔn)層校準(zhǔn)層 透明透明Y電極電極 玻璃薄片玻璃薄片 水平線性偏光水平線性偏光器器DSTN（dual-scan twisted nematic，雙掃描交錯(cuò)液晶顯示）雙掃描交錯(cuò)液晶顯示） ， 被動矩陣（無源矩陣）被動矩陣（無源矩陣） TFT（thin film transistor，薄膜晶體，薄膜晶體管顯示），管顯示）， 積極矩陣（有源矩陣）積極矩陣（有源矩陣）紅、綠、藍(lán)三色液晶混合，形成一個(gè)象素。紅、綠、藍(lán)三色液晶混合，形成一個(gè)象素。 控制紅、控制紅、綠、藍(lán)三個(gè)色點(diǎn)的電壓，讓不同濃度的三色混合，就綠、藍(lán)三個(gè)色點(diǎn)的電壓，讓不同濃度的三色混合，就形成所需的各種顏色。形成所需的各種顏色。 整個(gè)整個(gè)TF

11、T顯示器的屏冪就是顯示器的屏冪就是由一格格的像素點(diǎn)構(gòu)成，每一個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)晶體管控由一格格的像素點(diǎn)構(gòu)成，每一個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)晶體管控制。制。 3.7 分離膜 分離膜：一種能有效選擇分離提取所需物質(zhì)的高功能膜。 高的透過速率，高的分離系數(shù)，節(jié)能，環(huán)保。 廣泛用于飲食、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物技術(shù)、化工冶金、空氣分離、環(huán)境等領(lǐng)域。3.7.1 膜分離技術(shù)的發(fā)展簡史膜分離技術(shù)的發(fā)展簡史 其發(fā)展的歷史大致為：30年代微孔過濾；40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化。此外以膜為基礎(chǔ)的其它新型分離過程，以及膜分離與其它分離過程結(jié)合的集成過程(Integrated

12、 Membrane Process)也日益得到重視和發(fā)展。1950年W.Juda試制出選擇透過性能的離子交換膜，奠定了電滲析的實(shí)用化基礎(chǔ)。1960年洛布 (Loeb)和索里拉簡 (Souriringan)首次研制成世界上具有歷史意義的非對稱反滲透膜，這在膜分離技術(shù)發(fā)展中是一個(gè)重要的突破，使膜分離技術(shù)進(jìn)入了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的時(shí)代。3.7.2 膜的分類 按孔徑大小分：致密膜、多孔膜、纖維質(zhì)膜。 致密膜：聚合物填充成分子狀，孔徑0-1.5nm，適合于反滲透、滲析、電滲析等操作。 多孔膜：孔徑5nm-1微米，孔大小既是膠體粒子的大小。適合超過濾、膜過濾等操作。 纖維質(zhì)膜：孔徑2微米以上，相當(dāng)于紙的二次

13、結(jié)構(gòu)，用于大分散質(zhì)的過濾操作。按結(jié)構(gòu)分類1. 對稱膜： 結(jié)構(gòu)與方向無關(guān)的膜，孔徑不規(guī)則或一定。2. 非對稱膜： 分離層（活性膜）和多孔支持膜， 活性膜要朝向待濃縮的原液層， 兩層膜是同一種材料。3 復(fù)合膜： 活性膜層沉積于具有微孔的底膜（支撐層）表面上， 表層與底層是不同的材料， 膜的性能與活性膜和底層膜都有關(guān)系 4. 荷電膜（離子交換膜）： 含有溶脹膠載著固定的正電荷或負(fù)電荷。 陰離子交換膜：帶正電荷 陽離子交換膜：帶負(fù)電荷 5. 微孔膜（0.0520m） 6. 動態(tài)膜： 在多孔介質(zhì)上沉積一層顆粒物作為有選擇作用的膜， 沉積層與溶液處于動態(tài)平衡， 可在高溫下應(yīng)用，膜更新容易，不穩(wěn)定。典型的非

14、對稱膜結(jié)構(gòu)3.7.3 膜的分離原理1 滲透（osmosis）和透（滲）析（dialysis） 滲透是一個(gè)擴(kuò)散過程，在膜兩邊滲透壓差的作用下溶劑產(chǎn)生流動。 透析是利用多孔膜兩側(cè)溶液的濃度差使溶質(zhì)利用多孔膜兩側(cè)溶液的濃度差使溶質(zhì)從濃度高的一側(cè)通過膜孔擴(kuò)散到濃度低的一側(cè)從濃度高的一側(cè)通過膜孔擴(kuò)散到濃度低的一側(cè)從而得到分離的過程。從而得到分離的過程。 2. 反滲透（reverse osmosis） 在膜的兩邊造成一個(gè)壓力差，并使其大于 滲透壓，就會發(fā)生溶劑倒流，使?jié)舛容^高的溶液進(jìn)一步濃縮。 3. 超濾（ultrafiltration） 應(yīng)用孔徑為應(yīng)用孔徑為10到到200 的超過濾膜來過濾含的超過濾膜來

15、過濾含有大分子或微細(xì)粒子的溶液，使大分子或微細(xì)有大分子或微細(xì)粒子的溶液，使大分子或微細(xì)粒子從溶液中分離。粒子從溶液中分離。4. 微過濾（microfiltration） 利用孔徑大于利用孔徑大于0.02m直到直到l0m的多孔膜來過濾。的多孔膜來過濾。應(yīng)用領(lǐng)域極其廣闊，目前的銷售額在各類膜中應(yīng)用領(lǐng)域極其廣闊，目前的銷售額在各類膜中占據(jù)首位。占據(jù)首位。 5. 電滲析（electrodialysis） 在電場中交替裝配的陰離子和陽離子交換膜，在電場中形成一個(gè)個(gè)隔室， 使溶液中的離子有選擇地分離或富集。目目前主要用于水溶液中除去電解質(zhì)前主要用于水溶液中除去電解質(zhì)(如鹽水如鹽水的淡化等的淡化等) 6.

16、氣體透過（gas permeation） 氣體膜分離是利用氣體組分在膜內(nèi)溶解氣體膜分離是利用氣體組分在膜內(nèi)溶解和擴(kuò)散性能的不同，即滲透速率的不同和擴(kuò)散性能的不同，即滲透速率的不同來實(shí)現(xiàn)分離的技術(shù)，具有很大的發(fā)展前來實(shí)現(xiàn)分離的技術(shù)，具有很大的發(fā)展前景。景。幾種主要分離膜的分離過程幾種主要分離膜的分離過程膜過程膜過程推動力推動力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型微濾微濾壓力差壓力差顆粒大小形狀顆粒大小形狀水、溶劑溶解物水、溶劑溶解物懸浮物顆粒懸浮物顆粒纖維多孔膜纖維多孔膜超濾超濾壓力差壓力差分子特性大小形狀分子特性大小形狀水、溶劑小分子水、溶劑小分子膠體和超過膠體和超過截留分子量

17、截留分子量的分子的分子非對稱性膜非對稱性膜納濾納濾壓力差壓力差離子大小及電荷離子大小及電荷水、一價(jià)離子、水、一價(jià)離子、多價(jià)離子多價(jià)離子有機(jī)物有機(jī)物復(fù)合膜復(fù)合膜反滲透反滲透壓力差壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑水、溶劑溶質(zhì)、鹽溶質(zhì)、鹽非對稱性膜復(fù)非對稱性膜復(fù)合膜合膜膜過程膜過程推動力推動力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型滲析滲析濃度差濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞低分子量物、離子低分子量物、離子溶劑溶劑非對稱性膜非對稱性膜電滲析電滲析電位差電位差電解質(zhì)離子的電解質(zhì)離子的選擇傳遞選擇傳遞電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)大分子物質(zhì)離子交換膜離子交換

18、膜氣體分離氣體分離壓力差壓力差氣體和蒸汽的氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽氣體或蒸汽難滲透性氣難滲透性氣體或蒸汽體或蒸汽均相膜、復(fù)合均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜膜，非對稱膜滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)壓力差壓力差選擇傳遞選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶難滲透性溶質(zhì)或溶劑質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)合均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜膜，非對稱膜液膜分離液膜分離濃度差濃度差反應(yīng)促進(jìn)和反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)雜質(zhì)溶劑溶劑乳狀液膜、支乳狀液膜、支撐液膜撐液膜續(xù)上表續(xù)上表3.7.4 膜材料及膜的制備膜材料及膜的制備1 膜材料膜材料 用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合

19、成的有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料。成的有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料。 原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。的制備技術(shù)。 目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，

20、已有成百種以上的膜被制備出來，其中約已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類膜占膜占53，聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他材料的膜占他材料的膜占2，可見纖維素酯類材料在膜材料中，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。1） 纖維素酯類膜材料纖維素酯類膜材料 纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1, 4甙甙(dai)鏈連接起來的天然線性高分子化合物，鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：其結(jié)構(gòu)式為：OH

21、OHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_22 從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。素或三醋酸纖維素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 +

22、2 CH2COOH 醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。 醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。為了改進(jìn)其性能，進(jìn)一步提高分離下易發(fā)生水解。為了改進(jìn)其性能，進(jìn)一步提高分離效率和透過速率，可采用各種不同取代度的醋酸纖效率和透過速率，可采用各種不同取代度的醋酸纖維素的混合物來制膜，也可采用醋酸纖維素與硝酸維素的混合物來制膜，也可采用醋酸纖維素與硝酸纖維素的混合物來制膜。此外，醋酸丙酸纖維素、纖維素的混合物來制膜。此外，醋酸丙酸纖維素、醋酸丁酸纖維素也是很好的膜材料。醋酸丁酸纖維素也是很好的膜材料。 纖維素醋

23、類材料易受微生物侵蝕，纖維素醋類材料易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)范值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。因圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。2） 非纖維素酯類膜材料非纖維素酯類膜材料（1）非纖維素酯類膜材料的基本特性）非纖維素酯類膜材料的基本特性 分子鏈中含有親水性的極性基團(tuán)；分子鏈中含有親水性的極性基團(tuán)； 主鏈上應(yīng)有苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團(tuán)，使之有主鏈上應(yīng)有苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團(tuán)，使之有高的抗壓密性和耐熱性；高的抗壓密性和耐熱性； 化學(xué)穩(wěn)定性好；化學(xué)穩(wěn)定性好； 具有可溶性；具有可溶性； 常用于制備分

24、離膜的合成高分子材料有聚砜、常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。（2）主要的非纖維素酯類膜材料）主要的非纖維素酯類膜材料 （i）聚砜類）聚砜類 聚砜結(jié)構(gòu)中的特征基團(tuán)為聚砜結(jié)構(gòu)中的特征基團(tuán)為 ，為了引入親水基，為了引入親水基團(tuán)，常將粉狀聚砜懸浮于有機(jī)溶劑中，用氯磺酸進(jìn)行團(tuán)，常將粉狀聚砜懸浮于有機(jī)溶劑中，用氯磺酸進(jìn)行磺化?；腔?聚砜類樹脂常用的制膜溶劑有：二甲基甲酰胺、聚砜類樹脂常用的制膜溶劑有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜等。甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜等。SOO 聚砜類樹脂具有

25、良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強(qiáng)度也很高，性，強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為值適應(yīng)范圍為113，最高使，最高使用溫度達(dá)用溫度達(dá)120，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。這類樹脂中，目前的此已成為重要的膜材料之一。這類樹脂中，目前的代表品種有：代表品種有：OCCH3CH3OS聚 砜聚 芳 砜聚 醚 砜聚苯醚砜OOnOnSOOSOOOnSOOOnSOOO （ii）聚酰胺類）聚酰胺類 早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍?jiān)缙谑褂玫木埘０肥侵咀寰埘０?，如尼?、尼龍、尼龍66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽

26、水等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分離率在的分離率在8090之間，但透水率很低，僅之間，但透水率很低，僅0.076 ml/cm2h。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，制成的分離膜，pH適用范圍為適用范圍為311，分離率可達(dá)，分離率可達(dá)99.5（對鹽水），透水速率為（對鹽水），透水速率為0.6 ml/cm2h。長期。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有較高要求。膜對水中的游離氯有較高要求。 Du Pont公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的DPI型膜即為由此類膜材型膜即為由此類膜材料制成的，它

27、的合成路線如下式所示：料制成的，它的合成路線如下式所示：H2NnCONHNH2Cl+nCOCClNHCONHNHCCnDMACOOO 類似結(jié)構(gòu)的芳香族聚酰胺膜材料還有：類似結(jié)構(gòu)的芳香族聚酰胺膜材料還有：NHCONHNHCOnNHCONHNHCONHCOCOn （iii）芳香雜環(huán)類）芳香雜環(huán)類 聚苯并咪唑類聚苯并咪唑類 如由美國如由美國Celanese公司研制的公司研制的PBI膜即為此膜即為此種類種類型。這種膜材料可用以下路線合成：型。這種膜材料可用以下路線合成：NH2H2NNH2H2N+nOCOCOONNCHNNCH+2 nOH+2 n H2On 聚苯并咪唑酮類聚苯并咪唑酮類 這類膜的代表是日

28、本帝人公司生產(chǎn)的這類膜的代表是日本帝人公司生產(chǎn)的PBLL膜，膜，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為：其化學(xué)結(jié)構(gòu)為： 這種膜對這種膜對0.5NaCl溶液的分離率達(dá)溶液的分離率達(dá)9095，并有較高的透水速率。并有較高的透水速率。NCONHSO2HNNCOn 聚吡嗪酰胺類聚吡嗪酰胺類 這類膜材料可用界面縮聚方法制得，反應(yīng)式這類膜材料可用界面縮聚方法制得，反應(yīng)式為：為：nClCOCHClCOCH+nHNNHRR界面縮聚COCHCOCHNNRR+ 2nHCln 聚酰亞胺類聚酰亞胺類 聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的力，因此是一類較好的

29、膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。NCCOONCCOOArn 其中，其中，Ar為芳基，對氣體分離的難易次序如下：為芳基，對氣體分離的難易次序如下：H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8易易 難難 聚酰亞胺溶解性差，制膜困難，因此開發(fā)了可聚酰亞胺溶解性差，制膜困難，因此開發(fā)了可溶性聚酰亞胺，其結(jié)構(gòu)為：溶性聚酰亞胺，其結(jié)構(gòu)為：NCCOOCH2CHRNCCOOCH2CHn （iv）離子性聚合物）離子性聚合物 離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子交換

30、樹脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽離子膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)離子膜等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)酸型陽離子交換膜。酸型陽離子交換膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離子聚合物膜。子聚合物膜。OCH3H3CHClSO3SO3HHCl+CH3OH3C+nnCCH3CH3OSOOOHClSO3+nCCH3CH3OSOOOnSO3H （v）乙烯基聚合物）乙烯基聚合物 用作膜材料的乙烯基聚合物包

31、括聚乙烯醇、聚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：聚丙烯醇烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯苯乙烯磺酸、聚乙烯醇磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯甲基丙烯酸酯、聚乙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。聚物也可用作膜材料。3.7.5 膜的制備膜的制備1. 分離膜制備工藝類型分離膜制備工藝類型 膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣的材

32、料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。能分離膜的重要保證。 目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。2. 相轉(zhuǎn)化制膜工藝相轉(zhuǎn)化制膜工藝 相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔蛉芤杭尤敕侨軇┗蚣訜嶂颇ひ?，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程。相轉(zhuǎn)化制

33、膜工藝中最重要的方法是相的過程。相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是LS型制膜法。它是由加拿大人勞勃（型制膜法。它是由加拿大人勞勃（S. Leob）和索里）和索里拉金（拉金（S. Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維素膜。酸纖維素膜。 將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，其工藝框圖可表示如下：其工藝框圖可表示如下：聚合物溶劑添加劑均質(zhì)制膜液流

34、涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗后處理非對稱膜LS法制備分離膜工藝流程框圖法制備分離膜工藝流程框圖3. 復(fù)合制膜工藝復(fù)合制膜工藝 由由LS法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.251m，相當(dāng)于總厚度的，相當(dāng)于總厚度的1/100左右。理論研究表明可左右。理論研究表明可知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用LS法法制備表面層小于制備表面層小于0.1m的膜極為困難。為此，發(fā)展的膜極為困難。為此，發(fā)展了復(fù)合制膜工藝，其方

35、框圖如圖所示。了復(fù)合制膜工藝，其方框圖如圖所示。多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復(fù)合膜形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑復(fù)合制膜工藝流程框圖復(fù)合制膜工藝流程框圖3.7.6 膜的保存膜的保存 分離膜的保存對其性能極為重要。主要應(yīng)防止分離膜的保存對其性能極為重要。主要應(yīng)防止微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。 微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜，而水微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜，而水解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、pH值值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。冷不適當(dāng)和水中游離氧

36、的存在均會造成膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。膜的收縮主要發(fā)生凍會使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時(shí)的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下在濕態(tài)保存時(shí)的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重時(shí)還會造成膜的破裂。降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重時(shí)還會造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時(shí)，由于膜中水分急劇地向當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時(shí)，由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會造成膜的變形收縮。溶液中擴(kuò)散而失水，也會造成膜的變形收縮。3.7.7 膜的結(jié)構(gòu)膜的結(jié)構(gòu) 膜的結(jié)構(gòu)主要是指膜的形態(tài)、膜的結(jié)晶態(tài)和膜膜的結(jié)構(gòu)主要是指膜的形態(tài)、膜的結(jié)晶態(tài)和膜的分子態(tài)結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)的研究可以了

37、解膜結(jié)構(gòu)與性能的分子態(tài)結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)的研究可以了解膜結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從而指導(dǎo)制備工藝，改進(jìn)膜的性能。的關(guān)系，從而指導(dǎo)制備工藝，改進(jìn)膜的性能。3.7.7.1 膜的形態(tài)膜的形態(tài) 用電鏡或光學(xué)顯微鏡觀察膜的截面和表面，可以用電鏡或光學(xué)顯微鏡觀察膜的截面和表面，可以了解膜的形態(tài)。下面僅對了解膜的形態(tài)。下面僅對MF膜、膜、UF膜和膜和RO膜的形膜的形態(tài)作簡單的討論。態(tài)作簡單的討論。1. 微孔膜微孔膜具有開放式的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有開放式的網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 微孔膜具有開放式的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成機(jī)理為：微孔膜具有開放式的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成機(jī)理為：制膜液成膜后，溶劑首先從膜表面開始蒸發(fā)，形成制膜液成膜后，溶劑首先從膜表面開始蒸發(fā)，形

38、成表面層。表面層下面仍為制膜液。溶劑以氣泡的形表面層。表面層下面仍為制膜液。溶劑以氣泡的形式上升，升至表面時(shí)就形成大小不等的泡。這種泡式上升，升至表面時(shí)就形成大小不等的泡。這種泡隨著溶劑的揮發(fā)而變形破裂，形成孔洞。此外，氣隨著溶劑的揮發(fā)而變形破裂，形成孔洞。此外，氣泡也會由于種種原因在膜內(nèi)部各種位置停留，并發(fā)泡也會由于種種原因在膜內(nèi)部各種位置停留，并發(fā)生重疊，從而形成大小不等的網(wǎng)格。生重疊，從而形成大小不等的網(wǎng)格。 開放式網(wǎng)格的孔徑一般在開放式網(wǎng)格的孔徑一般在0.11m之間，可以之間，可以讓離子、分子等通過，但不能使微粒、膠體、細(xì)菌讓離子、分子等通過，但不能使微粒、膠體、細(xì)菌等通過。等通過。

39、2. 反滲透膜和超過濾膜的雙層與三層結(jié)構(gòu)模型反滲透膜和超過濾膜的雙層與三層結(jié)構(gòu)模型 雷萊（雷萊（Riley）首先研究了用）首先研究了用LS法制備的醋酸法制備的醋酸纖維素反滲透膜的結(jié)構(gòu)。從電鏡中可看到，醋酸纖纖維素反滲透膜的結(jié)構(gòu)。從電鏡中可看到，醋酸纖維反滲透膜具有不對稱結(jié)構(gòu)。與空氣接觸的一側(cè)是維反滲透膜具有不對稱結(jié)構(gòu)。與空氣接觸的一側(cè)是厚度約為厚度約為0.25m的表面層，占膜總厚度的極小部的表面層，占膜總厚度的極小部分（一般膜總厚度約分（一般膜總厚度約100 m）。表面沒有物理孔）。表面沒有物理孔洞，致密光滑。下部則為多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為洞，致密光滑。下部則為多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為0.4m左右。這種結(jié)構(gòu)

40、被稱為雙層結(jié)構(gòu)模型。左右。這種結(jié)構(gòu)被稱為雙層結(jié)構(gòu)模型。 吉頓斯（吉頓斯（Gittems）對醋酸纖維素膜進(jìn)了更精細(xì)）對醋酸纖維素膜進(jìn)了更精細(xì)的觀察，認(rèn)為這類膜具有三層結(jié)構(gòu)。最上層是表面的觀察，認(rèn)為這類膜具有三層結(jié)構(gòu)。最上層是表面活性層，致密而光滑，其中不存在大于活性層，致密而光滑，其中不存在大于10 nm的細(xì)的細(xì)孔。中間層稱為過渡層，具有大于孔。中間層稱為過渡層，具有大于10 nm的細(xì)孔。的細(xì)孔。上層與中間層之間有十分明顯的界限，中間層以下上層與中間層之間有十分明顯的界限，中間層以下為多孔層，具有為多孔層，具有50 nm以上的孔。與模板接觸的底以上的孔。與模板接觸的底部也存在細(xì)孔，與中間層大致相

41、仿。上、中兩層的部也存在細(xì)孔，與中間層大致相仿。上、中兩層的厚度與溶劑蒸發(fā)的時(shí)間、膜的透過性等均有十分密厚度與溶劑蒸發(fā)的時(shí)間、膜的透過性等均有十分密切的關(guān)系。切的關(guān)系。3.7.8 典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域 典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾(MF)、超濾、超濾(UF)、反滲透反滲透(RO)、納濾、納濾(NF)、滲析、滲析(D)、電滲析、電滲析(ED)、液膜、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)及滲透蒸發(fā)( PV)等，下面分別介紹之。等，下面分別介紹之。3.7.8.1 微孔過濾技術(shù)微孔過濾技術(shù)1. 微孔過濾和微孔膜的特點(diǎn)微孔過濾和微孔膜的特點(diǎn) 微孔過濾技術(shù)始于十九

42、世紀(jì)中葉，是以靜壓差為微孔過濾技術(shù)始于十九世紀(jì)中葉，是以靜壓差為推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的“篩分篩分”作用進(jìn)行分作用進(jìn)行分離的膜過程。實(shí)施微孔過濾的膜稱為微孔膜。離的膜過程。實(shí)施微孔過濾的膜稱為微孔膜。 微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90150m左右，過濾粒徑在左右，過濾粒徑在0.02510m之間，操作壓在之間，操作壓在0.010.2MPa。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微孔。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微孔膜約有膜約有13類，總計(jì)類，總計(jì)400多種。多種。 微孔膜的主要優(yōu)點(diǎn)為：微孔膜的主要優(yōu)點(diǎn)為： 孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有

43、大孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；于制定孔徑的微粒全部截留； 孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔孔/cm2，微孔體積占膜總體積的，微孔體積占膜總體積的7080。由。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍；幾十倍； 無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之間，因而吸附量很少，可忽略不計(jì)。之間，因而吸附量很少，可忽略不計(jì)。 無介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，無介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過濾時(shí)沒有纖維或碎屑脫落，因

44、此能得到高純度的過濾時(shí)沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。濾液。 微孔膜的缺點(diǎn)：微孔膜的缺點(diǎn)： 顆粒容量較小，易被堵塞；顆粒容量較小，易被堵塞； 使用時(shí)必須有前道過濾的配合，否則無法正使用時(shí)必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。常工作。2. 微孔過濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域微孔過濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 微孔過濾技術(shù)目前主要在以下方面得到應(yīng)用：微孔過濾技術(shù)目前主要在以下方面得到應(yīng)用：（1）微粒和細(xì)菌的過濾?？捎糜谒母叨葍艋?、）微粒和細(xì)菌的過濾。可用于水的高度凈化、食品和飲料的除菌、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣食品和飲料的除菌、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。凈化和除菌等。（2）微粒和細(xì)菌的檢測。微

45、孔膜可作為微粒和細(xì)）微粒和細(xì)菌的檢測。微孔膜可作為微粒和細(xì)菌的富集器，從而進(jìn)行微粒和細(xì)菌含量的測定。菌的富集器，從而進(jìn)行微粒和細(xì)菌含量的測定。（3）氣體、溶液和水的凈化。大氣中懸浮的塵埃、）氣體、溶液和水的凈化。大氣中懸浮的塵埃、 纖維、花粉、細(xì)菌、病毒等；溶液和水中存在纖維、花粉、細(xì)菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4）食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和啤、）食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和啤、黃酒等酒類進(jìn)行過濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類黃酒等酒類進(jìn)行過濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類中的酵母、霉菌和其他微生

46、物，提高食糖的純度和中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類產(chǎn)品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操酒類產(chǎn)品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操作，不會使酒類產(chǎn)品變味。作，不會使酒類產(chǎn)品變味。（5）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時(shí)，細(xì)菌的尸體仍留在用熱壓法。但是熱壓法滅菌時(shí)，細(xì)菌的尸體仍留在藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜有突出的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過微孔膜過濾后，細(xì)菌被截留，有突出的

47、優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過微孔膜過濾后，細(xì)菌被截留，無細(xì)菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥無細(xì)菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥物的受熱破壞和變性。物的受熱破壞和變性。 許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的過濾技術(shù)難以達(dá)到要求，必須采用微濾技術(shù)。過濾技術(shù)難以達(dá)到要求，必須采用微濾技術(shù)。3.7.8.2 超濾技術(shù)超濾技術(shù) 1. 超濾和超濾膜的特點(diǎn)超濾和超濾膜的特點(diǎn) 超濾技術(shù)始于超濾技術(shù)始于 1861 年，其過濾粒徑介于微濾和年，其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間，約反滲透之間，約510 nm，在，在 0.10.5 MPa 的靜壓的靜壓差推動下截留各種可溶性大

48、分子，如多糖、蛋白質(zhì)差推動下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質(zhì)、酶等相對分子質(zhì)量大于、酶等相對分子質(zhì)量大于500的大分子及膠體，形成的大分子及膠體，形成濃縮液，達(dá)到溶液的凈化、分離及濃縮目的。濃縮液，達(dá)到溶液的凈化、分離及濃縮目的。 超濾技術(shù)的核心部件是超濾膜，分離截留的原理超濾技術(shù)的核心部件是超濾膜，分離截留的原理為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過膜上的微為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過膜上的微孔，而大于孔徑的微粒則被截留。膜上微孔的尺寸孔，而大于孔徑的微粒則被截留。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離效率。和形狀決定膜的分離效率。 超濾膜均為不對稱膜，形式有平板式、卷式、管超濾膜均為不

49、對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。超濾膜的結(jié)構(gòu)一般由三層結(jié)構(gòu)式和中空纖維狀等。超濾膜的結(jié)構(gòu)一般由三層結(jié)構(gòu)組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為為0.11.5m，其中細(xì)孔孔徑一般小于，其中細(xì)孔孔徑一般小于10nm；中；中間的過渡層，具有大于間的過渡層，具有大于10nm的細(xì)孔，厚度一般為的細(xì)孔，厚度一般為110m；最下面的支撐層，厚度為；最下面的支撐層，厚度為50250m，具有具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機(jī)械強(qiáng)度。膜的分離性能主要取決于表面提高膜的機(jī)械強(qiáng)度。膜的分離性能

50、主要取決于表面活性層和過度層?；钚詫雍瓦^度層。 中空纖維狀超濾膜的外徑為中空纖維狀超濾膜的外徑為0.52m。特點(diǎn)是。特點(diǎn)是直徑小，強(qiáng)度高，不需要支撐結(jié)構(gòu)，管內(nèi)外能承受直徑小，強(qiáng)度高，不需要支撐結(jié)構(gòu)，管內(nèi)外能承受較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜的內(nèi)表面積很大，能有效提高滲透通量。的內(nèi)表面積很大，能有效提高滲透通量。 制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質(zhì)，如醋酸纖維素超濾膜適用于材質(zhì)，如醋酸纖維素超濾膜適

51、用于pH = 38，三醋，三醋酸纖維素超濾膜適用于酸纖維素超濾膜適用于pH = 29，芳香聚酰胺超濾，芳香聚酰胺超濾膜適用于膜適用于pH = 59，溫度，溫度040，而聚醚砜超濾，而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過膜的使用溫度則可超過100。2. 超濾膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域超濾膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 超濾膜的應(yīng)用也十分廣泛，在作為反滲透預(yù)處超濾膜的應(yīng)用也十分廣泛，在作為反滲透預(yù)處理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽極電泳漆和理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽極電泳漆和陰極電泳漆的生產(chǎn)、電子工業(yè)高純水的制備、工業(yè)陰極電泳漆的生產(chǎn)、電子工業(yè)高純水的制備、工業(yè)廢水的處理等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。廢水的處理等眾多領(lǐng)域都

52、發(fā)揮著重要作用。 超濾技術(shù)主要用于含分子量超濾技術(shù)主要用于含分子量500500,000的微粒的微粒溶液的分離，是目前應(yīng)用最廣的膜分離過程之一，溶液的分離，是目前應(yīng)用最廣的膜分離過程之一，它的應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。主它的應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。主要可歸納為以下方面。要可歸納為以下方面。（1）純水的制備。超濾技術(shù)廣泛用于水中的細(xì)菌、）純水的制備。超濾技術(shù)廣泛用于水中的細(xì)菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無菌水等。子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無菌水等。（2）汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。汽）汽車、

53、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有12的涂料（高分子物質(zhì)），用超濾裝置可分離出清的涂料（高分子物質(zhì)），用超濾裝置可分離出清水重復(fù)用于清洗，同時(shí)又使涂料得到濃縮重新用于水重復(fù)用于清洗，同時(shí)又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。電泳涂裝。（3）食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超）食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超濾技術(shù)可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。濾技術(shù)可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。（4）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應(yīng)用超濾技術(shù)）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應(yīng)用超濾技術(shù)可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜

54、質(zhì)，使果汁可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質(zhì)，使果汁和酒在凈化處理的同時(shí)保持原有的色、香、味，操和酒在凈化處理的同時(shí)保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。作方便，成本較低。（5）在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質(zhì)，分）在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質(zhì)，分離濃縮生物活性物質(zhì)，從生物中提取藥物等。離濃縮生物活性物質(zhì)，從生物中提取藥物等。（6）造紙廠的廢水處理。）造紙廠的廢水處理。3.7.8.3 反滲透技術(shù)反滲透技術(shù)1. 反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn) 滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲

55、透分離物就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質(zhì)。目前，反滲透技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使質(zhì)。目前，反滲透技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用用的現(xiàn)代分離技術(shù)。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、的現(xiàn)代分離技術(shù)。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超超純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術(shù)有其他純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術(shù)有其他方方法不可比擬的優(yōu)勢。法不可比擬的優(yōu)勢。 滲透和反滲透的原理如滲透和反滲透的原理如圖圖3.7所示。如果用一所示。如果用一張只能透過水而不能透過溶質(zhì)的半透膜將兩種不同張只能透過水而不能透過溶質(zhì)的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜滲透從濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜

56、滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷移，這一現(xiàn)象低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷移，這一現(xiàn)象稱滲透稱滲透（圖（圖3.7a）。這一過程的推動力是低濃度溶。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學(xué)位與高濃度溶液中水的化學(xué)位之差，液中水的化學(xué)位與高濃度溶液中水的化學(xué)位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓。隨著水的滲透，高濃度水溶液表現(xiàn)為水的滲透壓。隨著水的滲透，高濃度水溶液一側(cè)的液面升高，壓力增大。當(dāng)液面升高至一側(cè)的液面升高，壓力增大。當(dāng)液面升高至H時(shí)，時(shí)，滲透達(dá)到平衡，兩側(cè)的壓力差就稱為滲透壓滲透達(dá)到平衡，兩側(cè)的壓力差就稱為滲透壓（圖（圖3.7b）。滲透過程達(dá)到平衡后，水不再有滲透，滲透滲透過程達(dá)到平衡后，水不

57、再有滲透，滲透通量為零。通量為零。 圖圖3.7 滲透與反滲透原理示意圖滲透與反滲透原理示意圖 如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液側(cè)與低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度側(cè)與低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側(cè)，水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側(cè)，這一過程就稱為反滲透（圖這一過程就稱為反滲透（圖3.7c）。）。 反滲透技術(shù)所分離的物質(zhì)的分子量一般小于反滲透技術(shù)所分離的物質(zhì)的分子量一般小于500，操作壓力為操作壓力為 2100MPa。 用于實(shí)施反滲透操作的膜為反滲透膜。反滲透膜用于實(shí)施反滲透

58、操作的膜為反滲透膜。反滲透膜大部分為不對稱膜，孔徑小于大部分為不對稱膜，孔徑小于0.5nm，可截留溶質(zhì)，可截留溶質(zhì)分子。分子。 制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚族聚酰胺、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。醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。 反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭論，主要有反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭論，主要有氫鍵理論、選擇吸附氫鍵理論、選擇吸附毛細(xì)管流動理論、溶解擴(kuò)散毛細(xì)管流動理論、溶解擴(kuò)散理論等。理論等。2. 反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透與超濾、微孔過濾的

59、比較 反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。一中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。一般來說，分離溶液中分子量低于般來說，分離溶液中分子量低于500的低分子物質(zhì)，的低分子物質(zhì)，應(yīng)該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于應(yīng)該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于500的大的大分子或極細(xì)的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分離溶分子或極細(xì)的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分離溶液中的直徑液中的直徑0.110m的粒子應(yīng)該選微孔膜。以上的粒子應(yīng)該選微

60、孔膜。以上關(guān)于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是關(guān)于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是十分嚴(yán)格、明確的，它們之間可能存在一定的相互十分嚴(yán)格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。重疊。 微孔過濾、超濾和反滲透技術(shù)的原理和操作特微孔過濾、超濾和反滲透技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較如表所示。點(diǎn)比較如表所示。反滲透、超濾和微孔過濾技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較反滲透、超濾和微孔過濾技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較分離技術(shù)類型分離技術(shù)類型反滲透反滲透超濾超濾微孔過濾微孔過濾膜的形式膜的形式表面致密的非對稱膜、復(fù)合膜等表面致密的非對稱膜、復(fù)合膜等非對稱膜，表面有微孔非對稱膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料