1、膜表征方法簡介,姓名：王棟 專業(yè)：化學工程,膜表面和斷面結(jié)構(gòu)：電子顯微鏡，原子力顯微鏡 孔徑和孔徑分布：泡壓法，濾速法，壓汞法，干濕膜空氣濾速法，電子顯微鏡觀測法 截留率：溶質(zhì)截留率測定法（用于UF） 孔隙率：干、濕膜質(zhì)量差法 脫鹽率、水通量、膜的壓密性（用于RO） 膜的親水性和疏水性：測定接觸角法 膜的荷電性：交換容量C，膜電阻Rm，膜電位Em,膜結(jié)構(gòu)與性能的表征方法,電子顯微鏡法,電子顯微鏡是用于膜表征的一種設備，可以分成兩種：掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）。對于研究和表征微濾膜的多孔結(jié)構(gòu)，可以對膜的表面和橫斷面進行觀察。 簡單電子顯微鏡的分辨率為0.01m(10nm)

2、，更高級電子顯微鏡的分辨率可達5nm左右（微濾膜的孔徑為0.110m）。 掃描電子顯微鏡是用于表征微濾膜的簡單而有效的儀器。對表層、橫斷面和底層可得到清晰又簡潔的圖象。,原理：一束動能為1-25V的入射電子（又稱為一次電子）撞擊在膜試樣上，從試樣表面原子中撞擊出二次電子，這些二次電子在檢測器的屏幕上形成一定的圖象。為避免試樣被燒壞，可在表面上覆蓋一層導電層防止表面帶電，通常 用金制薄層，即噴金。,掃描電子顯微鏡原理示意圖,SEM法觀察到的聚醚酰胺膜的表層 （放大倍數(shù)3000）,不對稱聚砜超濾膜橫截面,原子力顯微鏡-AFM,原子力顯微鏡（AFM）是一種檢測表面結(jié)構(gòu)的方法，根據(jù)AFM圖象的橫截面可

3、以得到孔徑及孔隙率，這種方法的優(yōu)點是試樣無需預處理，且可在大氣條件下進行測量，其缺點在于，如表面粗糙會使檢測結(jié)果很難分析。此外，作用力較大時有可能損壞聚合物的結(jié)構(gòu)。 原子力顯微鏡是用來表征膜表面的一種新方法。直徑小于10nm的非常尖的探針以恒定的力掃過被測表面時，樣品表面和微型力敏感元件之間極微弱的原子會發(fā)生相互作用力，通過檢測這些力就可得到樣品表面的掃描結(jié)果。運用微懸臂，可以實現(xiàn)在很小相互作用力下的檢測，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。,泡壓法,泡壓法是測定微孔濾膜最大孔徑和平均孔徑法方法。這種方法的原理是測定氣體通過充滿液體的膜所需要的壓

4、力。膜的上面與液體（如水）接觸，并且所有膜孔內(nèi)都充滿液體，使膜潤濕，過濾器底部與空氣相連，當?shù)獨鈮毫χ饾u增大到一定量時，氣泡會通過膜。當膜面出現(xiàn)第一個氣泡時所對應的壓力，就是膜最大孔徑的壓力，膜上氣泡出現(xiàn)最多是所對應的壓力為膜的最小孔徑壓力。壓力與孔半徑之間的關系由Laplace方程確定。,泡壓法原理,r為毛細管孔半徑，m； 為液體/空氣界面的表面張力（N/m）,濾速法,假設存在毛細管孔利用Hagen-Poiseuille方程通過測量在一定壓力下通過膜的通量可得到孔徑。 通過改變壓力即將泡點法和滲透法相結(jié)合，可以測定孔徑分布。,Q:透過膜的液體流量； n:孔密度； r:孔半徑； S:有效膜面積

5、； p:應用壓力； t:液體透過膜量所用的時間； :滲透液粘度； d:毛細孔長度，即膜的厚度,通過上式計算出膜的水滲透率即膜的水通量。 帶入膜的孔隙率 膜的孔半徑：,濾速法的裝置和泡壓法相反，將膜置于測試池中，逐漸升壓使液體（一般是水）通過被測的膜，在排出所有氣泡后，使壓力升至一定值，在規(guī)定時間內(nèi)收集透過膜的液體量。濾速法是在膜上面加壓，而泡壓法是在膜下面加壓。只要測量膜的厚度，就可以通過透過膜的液體量和孔隙率，根據(jù)上式計算出膜的孔半徑。,壓汞法,壓汞法是把汞注入干膜中，并在不同壓力下測定汞的體積。壓力和孔徑的關系仍滿足Laplace方程。由于汞不同潤濕膜（接觸角大于90度），汞與聚合物材料的

6、接觸角一般為141.3度，汞/空氣界面的表面張力為0.48N/m，因此Laplace變?yōu)椋?在一定壓力下汞滲入膜微孔中，汞位的變化反應了樣品膜中汞體積的變化，它通過鉑電極電阻的變化來表示，由各壓力下汞進入膜樣品的累積體積，可得孔徑-孔百分比的累積曲線，微分后得到孔徑分布曲線,壓汞法膜孔徑積分和微分曲線,干濕膜空氣濾速法,當空氣通過干膜時，滲透流率隨壓力增加呈線性關系；而通過濕膜時，在泡點壓力處僅最大孔徑有氣體通過；當壓力再逐漸增加時，才能使越來越多的孔打開通道讓氣體從中通過。 流速-壓力關系如圖所示，平均孔徑所對應的壓力是指通過濕膜的滲透流率僅為干膜的一半時所用的壓力。將濕膜的曲線微分就可得到

7、孔徑分布曲線。,氣體流速-氣體壓力關系圖,溶質(zhì)截留率測定法,超濾膜的分離效率通常用截留率來表示，是指對一定相對分子質(zhì)量的物質(zhì)截留的程度，其公式如下： 其中，R為膜的截留率；cf為進液濃度即原液濃度，cp為透過膜液的濃度即產(chǎn)液的濃度。 通常把能截留90%某種物質(zhì)的相對分子量作為該膜的截留范圍，稱為截留相對分子量。超濾膜的孔徑范圍從0.001-0.02m，截留相對分子質(zhì)量一般從1000到100000左右。,脫鹽率,實際應用中反滲透中用以表示膜的分離性能的最常的指標是脫鹽率，表明膜能脫除水溶液中鹽的百分數(shù)，一般用R（Rejection）表示。有兩種表示方法 R0=（1-C3/C1）100% Rr=（

8、1-C3/C2）100% Rr-膜的真實脫鹽率 R0-膜的表觀脫鹽率 C1-膜高壓側(cè)水溶液中溶質(zhì)的本體濃度，g/cm3 由于在反滲透過程中存在著濃差極化現(xiàn)象，所以- C2 C1, R0 Rr。在實驗中一般難以測得膜高壓側(cè)界面上的濃度，所以實際應用中都以R0計算。,水通量,反滲透膜的水通量也稱透水速率或水滲透流率。單位時間內(nèi)通過單位膜面積的水體積流量，它表示反滲透膜的透量大小，表達式為： Fw=A(p-) A-膜的純水滲透系數(shù)，表示膜中水的滲透能力，cm3/(cm2s.MPa) p-膜兩側(cè)的壓力差，MPa -膜兩側(cè)的滲透壓差，MPa 特別地，超濾膜的水通量，其表示方法與反滲透膜納濾膜相同，鑒于濃

9、差極化對膜的透水速率影響極大，故超濾膜的水通量常用純水透過速率來表示膜水通量的大小。,膜的壓密性,反滲透一般在較高壓力下運行， 高分子膜長期處在壓力下，膜結(jié)構(gòu)會發(fā)生被壓密的現(xiàn)象，壓密現(xiàn)象進而導致膜的水通量變小?？捎昧髁克p系數(shù)（壓密斜率）表示： Ft =Fi tm 其中Fi和Ft 分別表示運行t小時和初始（1或2h）的水通量，將上式取對數(shù)，lgFt/Fi=-mlgt并以lg(Ft/Fi)-mlg(t)作圖，可得一條直線，其斜率即為壓密斜率m.,膜的荷電性,交換容量（C） 膜的交換容量是膜中離子基團含量多少的量度，用每克干膜可交換離子的物質(zhì)的量來表示（mmol/g），用酸、堿回滴法測定。一般離子交換膜的交換容量約為1-3mmol/g. 膜電阻(Rm) 是膜傳遞離子能力的量度。用