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膜的分類方法

日期:2025-01-11 06:13
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摘要:導(dǎo)語 所謂的膜,是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相,它把流體相分隔為互不相通的兩部分,并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。 近年來,膜分離過程已逐漸成為化學(xué)工業(yè)、食品加工、廢水處理、醫(yī)藥技術(shù)等方面的重要分離過程。已經(jīng)工業(yè)化的有微孔過濾、超濾、反滲透、電滲析和氣體分離等,滲透汽化也在*近幾年中速成了工業(yè)規(guī)模的裝置。膜分離與反應(yīng)結(jié)合的過程,各種膜反應(yīng)器的研究和應(yīng)用也發(fā)展較快。其他非分離膜過程,如控制釋放技術(shù),醫(yī)用人造膜和膜傳感器等種類也不少,有的發(fā)展速度將超過膜分離過程。



膜的特性

◆不管膜多薄, 它一定有兩個界面。這兩個界面分別與兩側(cè)的流體相接觸。

◆膜傳質(zhì)有選擇性,它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透過,而不允許其它物質(zhì)透過。


膜的分類方法

膜種類和功能繁多,分類方法有多種,大致可按膜的材料、結(jié)構(gòu)、形狀、分離機理、分離過程、孔徑大小進行分類。

按材料分類,可分為無機膜和有機膜

◆目前,實用的有機高分子膜材料有:纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說,已有成百種以上的膜被制備出來,其中約40多種已被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例,纖維素酯類膜占53%,聚砜膜占33.3%,聚酰胺膜占11.7%,其他材料的膜占2%,可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。


按結(jié)構(gòu)分類:對稱膜(微孔膜、均質(zhì)膜)、非對稱膜、復(fù)合膜

(1)對稱膜

膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)在各個方向上是一致的,在所有方向上的孔隙率都相似,亦稱各向同性膜(isotropic membrane)。對稱膜雖是各向同性的,但由于膜結(jié)構(gòu)中對稱元素的存在,也可以是各向異性的,如中空纖維的徑向各向異性膜,其他構(gòu)型的橫向各向異性膜和雙皮層中空纖維膜都是對稱膜。


(2)非對稱膜

當(dāng)前使用*多的膜具有精密的非對稱結(jié)構(gòu)。這種膜具有物質(zhì)分離*基本的兩種性質(zhì),即高傳質(zhì)速率和良好的機械強度。它有很薄的表層(0.1~1μm)和多孔支撐層(100~200μm) 。

這非常薄的表層為活性膜,其孔徑和表皮的性質(zhì)決定了分離特性,而厚度主要決定傳遞速度。多孔的支撐層只起支撐作用,對分離特性和傳遞速度影響很小,非對稱膜除了高透過速度外,還有另一優(yōu)點,即被脫除的物質(zhì)大都在其表面,易于**。


(3)復(fù)合膜

◆復(fù)合膜或稱“薄膜復(fù)合”的膜(thin—film composite membrane),是當(dāng)前發(fā)展快、研究*多的膜。它*早用于反滲透過程;現(xiàn)已用于氣體分離、滲透汽化等膜分離過程。這種膜的選擇性膜層(或稱活性膜層)沉積于具有微孔的底膜(支撐層)表面上,就像非對稱性膜的連續(xù)性表皮,只是表層與底層是不同的材料,而非對稱膜是同一種材料。


◆復(fù)合膜的性能不僅取決于有選擇性的表面薄層,而且受微孔支撐材料、結(jié)構(gòu)、孔徑、孔分布和多孔率的影響;多孔膜結(jié)構(gòu)的孔隙率愈高愈好,可使膜表層與支撐層接觸部分*小,而有利于物質(zhì)傳遞。


按形狀分類


按分離機理分類

(1)擴散性膜

擴散性膜亦稱“分離膜”。一種具有微細(xì)多孔結(jié)構(gòu)的金屬膜片。微孔可限制普通氣流,而容許擴散流通過,因此可以利用質(zhì)量差異來進行同位素分離。它的研制是氣體擴散的主要技術(shù)關(guān)鍵。


(2)離子交換膜

離子交換膜主要用于荷電物質(zhì)(通常指電解質(zhì))的分離。基本原理是利用陰、陽離子交換膜的選擇透過性來分離或濃縮溶液中的電解質(zhì)。


按離子選擇性分類

陽離子交換膜:R-SO3H,在水中電離后,呈負(fù)電性

陰離子交換膜:R-CH2N(CH3)3OH,電離后,呈正電性

選擇性膜:

選擇性透過膜是具有活性的生物膜,他對物質(zhì)的通過既具有半透膜的物理性質(zhì),還具有主動的選擇性,如細(xì)胞膜。因此,具有選擇性透過膜的必然具有半透性,而具有半透性的膜不一定具有選擇性透過,活性的生物膜才具有選擇透過性。


按分離過程分類

(1)反滲透膜

定義:反滲透過程所用的半透膜,只能透過水分子,不能透過鹽分子。


反滲透技術(shù)原理是在高于溶液滲透壓的作用下,一句其它物質(zhì)不能透過半透膜而將這些物質(zhì)和水分離開來。反滲透膜的膜孔徑非常小,因此能夠有效的去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等。系統(tǒng)具有水質(zhì)好、耗能低、無污染、工藝簡單、操作簡便等優(yōu)點。


按孔徑大小分類:微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜

(1)納濾膜

納濾(NF)是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù),孔徑為幾納米,因此稱納濾?;诩{濾分離技術(shù)的優(yōu)越特性,其在制藥、生物化工、食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。


納濾技術(shù)是*早也是應(yīng)用于海水及苦咸水的淡化方面。在食品行業(yè)中,納濾膜可用于果汁生產(chǎn)。大大節(jié)省能源,在醫(yī)藥行業(yè)可用于氨基酸生產(chǎn)、***回收等方面。


(2)超濾膜

超濾(UF)是介于納濾和微濾之間的一種膜過程,膜孔徑在0.5μm至1000μm分子量之間。超濾是一種能夠?qū)⑷芤哼M行凈化、分離、濃縮的膜分離技術(shù)。超濾過程通??梢岳斫獬赡た讖酱笮∠嚓P(guān)的篩分過程。以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力,當(dāng)水流過膜表面時,只允許水及比膜孔徑小的小分子物質(zhì)通過,達到溶液的凈化、分離、濃縮的目的。


超濾通常截留分子量范圍在1000~300000,故超濾膜能對大分子有機物(如蛋白質(zhì)、**)、膠體、懸浮固體等進行分離,廣泛應(yīng)用于料液的澄清、大分子有機物的分離純化、除熱源。


(3)微濾膜

一般來說,微濾膜是指一種孔徑為0.1-10μm,高度均勻,具有篩分過濾作用的特征的多孔固體連續(xù)介質(zhì)。依據(jù)微孔形態(tài)不同,微濾膜可分為兩類:彎曲孔膜和柱狀孔膜。彎曲孔膜的孔膜結(jié)構(gòu)為交錯連接的曲折孔道的網(wǎng)絡(luò),而柱狀孔膜的微孔結(jié)構(gòu)為幾乎平行的貫穿膜壁的圓柱狀毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)


(4)反滲透膜

◆反滲透膜的分類,按驅(qū)動力可分為高壓、低壓和超低壓膜;按膜的形狀分為平板膜、中空纖維膜和管式膜;根據(jù)制膜方式可分為相轉(zhuǎn)化膜和復(fù)合膜。另外,還可根據(jù)制膜材料及應(yīng)用對象等進行分類。


◆反滲透型膜構(gòu)造上在表層有一很薄的致密層(0.1-1.0μm),即脫鹽層或活化層,在表層下部是多孔支撐層,厚度為100~200μm,活化層基本上決定了膜的分離性能,支撐層只是起著活化層的載體作用,基本上不影響膜的分離性能。

結(jié)語

◆分離膜由高分子、金屬、陶瓷等材料制造,以高分子材料居多,按其物態(tài)又可分為固膜、液膜與氣膜三類。氣膜分離尚處于實驗研究中,液膜已有中試規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用,主要用于廢水處理中。

◆目前大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的多為固膜,固膜主要以高分子合成膜為主,高分子膜可制成致密的或多孔的、對稱的或不對稱的。

◆近年來,無機陶瓷膜材料發(fā)展迅猛并進入工業(yè)應(yīng)用,尤其是在微濾、超濾及膜催化反應(yīng)及高溫氣體分離中的應(yīng)用,充分展示了其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、機械強度高等優(yōu)點。陶瓷膜和金屬膜亦可以是對稱或不對稱的,但制備方法完全不同。