01

什么是高分子分離膜

      高分子分離膜主要就是以高分子材料制成的具有選擇性透過(guò)功能的半透性薄膜，其主要就是以壓力差以及溫度梯度等作為動(dòng)力，將氣體混合物以及無(wú)機(jī)物的溶液等分離。膜分離在進(jìn)行分離的時(shí)候往往會(huì)進(jìn)行反滲透、超濾、微濾以及電滲析等諸多過(guò)程。

圖

多孔膜分離性能

      在進(jìn)行分離膜高分子材料選擇的時(shí)候具有多樣性，譬如天然高分子材料、聚烯烴類材料等，膜本身的形式也是比較多的，目前比較常見(jiàn)的就是平膜以及空中纖維等。通過(guò)高分子分離膜的進(jìn)一步推廣不僅能夠獲得較大的巨大經(jīng)濟(jì)效益，還能夠帶來(lái)較大的社會(huì)效益，譬如通過(guò)離子交換膜電解食鹽能夠有效的降低污染，達(dá)到節(jié)約能源的日的，在進(jìn)行海水淡化的時(shí)候還能夠有效的減少其能源的消托等等。

02

膜分離技術(shù)及其特點(diǎn)

     膜分離技術(shù)是指在某種推力（壓力差、濃度差、電位差等）作用下，利用天然或人工制備的、具有選擇透過(guò)性的薄膜對(duì)雙組分或多組分液體或氣體進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富集。膜分離技術(shù)是當(dāng)代新型高效的分離技術(shù)，也是21世紀(jì)*具有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一。

     膜分離過(guò)程作為一項(xiàng)高效分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)，它具有傳統(tǒng)分離方法（蒸發(fā)、萃取或離子交換等）不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因而在海水淡化、環(huán)境保護(hù)、石油化工、節(jié)能技術(shù)、清潔生產(chǎn)、醫(yī)藥、食品、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并將成為解決人類能源、資源賈園和環(huán)境危機(jī)的重要手段"，有力地促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展。

膜分離技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1

可常溫下進(jìn)行

2

分離過(guò)程中不發(fā)生相變化，能耗低

3

適用于膜分離過(guò)程的對(duì)象非常廣泛，大到肉眼看得見(jiàn)的顆粒，小到離子和氣體分子

4

膜分離過(guò)程操作容易、裝置簡(jiǎn)單、易于自動(dòng)控制和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)

03

高分子分離膜材料的分類

天然高分子材料類

       天然高分子材料類主要包括改性纖維素及其衍生物類、殼聚糖類，此外，海藻酸鈉類也是天然分離膜原料。

       纖維素是一類資源豐富的天然高分子化合物，主要取源手植物細(xì)胞材料，為可再生資源。如下圖所示,纖維素高分子中椅形環(huán)狀的葡萄糖單元結(jié)構(gòu)含有3個(gè)羥基基團(tuán)，羥基之間形成分子間氫鍵,因而纖維素的線型鏈結(jié)構(gòu)排列比較規(guī)則，結(jié)晶度較高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，高度親水而不溶于水。纖維素及其衍生物成膜性能好，成膜后其有選擇性高、親水性強(qiáng)、透水量大等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于微濾和超濾,也可以用于反滲透、氣體分離和透析等。

聚烯烴類材料

聚烯烴類材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺等。這類材料是大工業(yè)產(chǎn)品，材料易得，加工容易；除了少數(shù)幾種之外，一般疏水性強(qiáng)，耐熱性差，主要用于制備微濾膜、超濾膜、密度膜等。

聚酰胺類材料

      聚酰胺類高分子是指含酰胺鏈段（－ＣＯＮＨ－）的一系列聚合物，其突出特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，特別是高溫性能優(yōu)良，適合制作需要高機(jī)械強(qiáng)度場(chǎng)合的分離膜，由于聚酰胺類膜對(duì)蛋白質(zhì)溶質(zhì)有強(qiáng)烈的吸附作用，容易由蛋白質(zhì)吸附造成的膜污染，降低膜通量的恢復(fù)和膜質(zhì)量。

聚砜類材料

       聚砜類膜材料具有良好的耐氯、耐酸堿的化學(xué)性能以及化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性，*高使用溫度達(dá)120℃，ｐＨ值適應(yīng)范圍1～13。由聚砜制成的膜具有膜薄、內(nèi)層孔隙率高且微孔規(guī)則等特點(diǎn)，適合制作超濾膜、微濾膜和氣體分離膜，并用于制作復(fù)合膜的底膜。

含氟高分子材料

       含氟高分子材料包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等，其突出特點(diǎn)是耐腐蝕性能，適合用于電解等高腐蝕場(chǎng)合的膜材料。聚偏氟乙烯是偏氟乙烯的均聚物，其中－Ｃ－Ｆ－鍵能較高，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度，作為膜材料具有很好的耐溫、耐腐蝕，耐溶劑性，多用于制備超濾膜。

芳香雜環(huán)

       芳香雜環(huán)類膜材料雖然品種繁多，但工業(yè)化的主要有聚苯并咪唑類和聚吡嗪酰胺類。下圖為聚苯并咪唑類的制備方法：

其他

有機(jī)硅聚合物類具有耐熱、抗氧化、耐酸堿等性質(zhì)，是一種新型分離膜制各材料；高分子電解質(zhì)類主要是全氟取代的磺酸樹(shù)脂和全氟羧酸樹(shù)脂，是制備離子交換分離膜的主要材料，適合在高腐蝕環(huán)境下使用，特別是氯堿工業(yè)中的膜法工藝路線。

04

高分子分離膜的結(jié)構(gòu)與性能

#01

化學(xué)組成

化學(xué)元素及化學(xué)基團(tuán)是物質(zhì)組成的基礎(chǔ)，決定了物質(zhì)的基本性質(zhì)，如氧化還原性、酸堿性、極性、溶解性和物理形態(tài)等?；瘜W(xué)組成還決定了分離膜材料的化學(xué)穩(wěn)定性，親水性或親油性，以及對(duì)被分離材料的溶解性等，直接影響膜的透過(guò)性、溶脹性、毛細(xì)作用等性質(zhì)。

      在分子結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)極性基團(tuán)，如羥基、羧基、磺酸基，膜的親水性會(huì)改善；以氧原子、硫原子等引入到聚合物主鏈中,或?qū)O性較大的基團(tuán)，如三氟甲基接枝在聚合物主鏈上，聚合物的柔性會(huì)增加，分子量增大，在氣體分離膜應(yīng)用過(guò)程中有利于氣體的透過(guò)。的各種性質(zhì)，包括立體效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生。

#02

高分子鏈段

構(gòu)成高分子分離膜材料的單體和鏈段的結(jié)構(gòu)，對(duì)聚合物的結(jié)晶性、溶解性、溶脹性等性質(zhì)起主要作用，也在一定程度上影響分離膜的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。對(duì)于均聚物，單位的結(jié)構(gòu)*重要，其次包括聚合度、分子量、分子量分布、分支度、交聯(lián)度等。對(duì)共聚物鏈段結(jié)構(gòu),如嵌段共聚、無(wú)規(guī)共聚、接枝共聚等因素直接影響分離膜的各種性質(zhì)，包括立體效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生。

#03

高分子立體構(gòu)象

      聚合物分子的微觀結(jié)構(gòu)，多與分子間的作用力相關(guān)，如范德華力、氫鍵力、靜電力。這直接影響膜制備的粘度、溶解度，也與成膜后的力學(xué)性能和選擇性密切關(guān)系。聚合物分子間作用力的增加則傾向于形成結(jié)晶度高的分離膜。

#04

聚集態(tài)和超分子

      聚合物高分子的排列方式和結(jié)晶度，以及晶胞的尺寸、膜的孔徑和分布等因素，與膜材料的使用范圍、透過(guò)性能、選擇性等密切相關(guān)。高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)與分離膜的制備條件和方法以及后處理工藝等更是相互聯(lián)系。 

05

高分子分離膜的應(yīng)用與展望

       高分子分離膜廣泛應(yīng)用于海水淡化、食品濃縮、廢水處理、富氧空氣制備、醫(yī)用超純水制造、人工腎及人工肺裝置、**的緩釋等方面。

圖為人工腎血液透析器結(jié)構(gòu)示意圖

圖為氧化石墨烯/聚乙烯醇復(fù)合纖維膜（Go/PVA EFMs），用來(lái)進(jìn)行海水淡化

      隨著膜分離技術(shù)的不斷發(fā)展, 如新型膜材質(zhì)的開(kāi)發(fā) 、膜分離不同操作工藝的優(yōu)化和組合等, 膜分離技術(shù)將會(huì)在化學(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(guò)程行業(yè)得到更成功的工業(yè)化應(yīng)用 。