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膜可以分为哪些种类?

来 源:中华水网   发布时间:2011-08-26 移动版

  目前,在设计和开发任何一种膜分离工艺时,都已有许多选择性高而且性能稳定的商品膜材料可供选用,制造商还往往针对不同的应用情况对这些材料进行了相应的优化。

  由于膜材料的种类非常丰富,制备条件也多种多样,膜材料分类方法有多种。比较通用的有4种方法,即按膜的性质分类、按膜的结构分类、按膜的用途分类以及按膜的作用机理分类。一般的概念都把膜理解为两个不同浓度相之间具有选择性的栅栏。但是,研究膜的传递过程需要有精确微观的描述,这种宏观的定义就不再有效了,因为这样的定义根本没有对膜的结构和功能作出说明。就工程意义来说,更有用的描述应按照膜的一般特性(厚的,薄的,均质的,不均质的)进行叙述,并且根据来源、形态和结构进行分类(图1-1)。

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  可将膜分为生物膜和合成膜两大类。生物膜(原生质,细胞膜)对于地球上的所有生物都是不可缺少的,因为细胞与其周围机体的质量传递过程只能通过细胞膜来进行。不仅在结构和功能方面,而且在传质机理方面,生物膜都与可用于工程技术目的的合成固体膜有很大差别。本书主要讨论合成固体膜。

  合成固体膜可以由有机的或无机的材料来制造,其中有机聚合物膜受到的重视比无机材料制成的膜要大得多。无机材料的供应直到近年才有较大的增长。到目前为止,多数还只限于多孔膜。

  膜在形态和结构方面的区别与膜的分离机理有密切的联系,因此直接与膜的应用相关联。所以多孔膜主要用于超滤、微滤和渗析过程;电中性的无孔膜主要用于反渗透、渗透汽化和气体渗i过程;而荷电的无孔膜则用于纳滤和电渗析过程。

  所有这些膜都可以制成对称的,也可以制成不对称的,即在3个膜的厚度上,具有相同的或者可变的特性(例如孔径大小变化)。不对称膜可以由一种聚合物制成整体不对称的,也可以由不同的聚合物制成组合不对称的,因此,可以区分为转相膜和但是,上述的膜分类不应掩盖这样的事实:必须就具体的工艺过程分别对所用的膜进行优化。这种讲法特别是针对于同样类型复用于不同工艺过程的情况。例如,对于以复合形式构造的溶扩散膜来说,就必须根据过程的特点,考虑体系的相态和推动力的情况,来决定需要什么样的活性层和多孔支

  1)有机膜

  目前几乎所有的膜技术都依赖于合成的聚合物膜,即依赖于有机的高分子化合物。但是,对于某个实际的分离问题,选择构成膜的聚合物并不是随意的,而是要按照明确的结构要求来进行选择。聚合物的结构特性一方面决定了膜的宏观特性(如热稳定性、化学稳定性和机械稳定性),另一方面也决定了某些微观的、"内在的"特性(例如聚合物对某种特定组分的渗透性)。

  高分子有机膜的性能与高分子材料的特性有密切关系。聚合物的结构特征主要由下面几个因素决定:

  (1) 分子量;

  (2) 有机高分子的化学结构和空间排列(构造、构型、构象、主链、侧基或侧链);

  (3) 不同大分子间的相互作用(氢键、偶极力、弥散力、交联度)。

  一般来说,一个凝固体系在分子排列过程中都是力争达到最可能紧密的原子排列。在结晶结构中就可以很好地达到这样的目的,而下面几个影响因素将会对这种排列有促进作用:

  (1) 有序的分子结构(等规立构的、间规立构的链型分子);

  (2) 强的分子间键合力(例如氢键)。

  但是,聚合物最多只能形成高度部分结晶,因为对于高分子溶液来说,完全的结晶是不可能的,结晶作用不仅可以在分子间进行,也可以在分子内进行。在熔化温度以上,聚合物的内部构造不再有区别,因为这时所有的高分子彼此间是孤立存在的。结晶度和玻璃化转变温度不仅影响到聚合物的渗透特性,也影响到它们的化学稳定性和热稳定性。此外,一般来说,可以提高热稳定性的那些影响因素同样也可以提高化学稳定性。例如:

  (1) 可以提高或7\的因素;

  (2) 可以导致较高聚合物结晶度的因素。

  由此可明显看出,在针对性地开发髙效聚合物膜的过程中,相互协调是不可避免的,因为某些特性(如高渗透率与热稳定性或化学稳定性)是由彼此相反的参数决定的。

  2)不对称膜

  由于组分的通量与膜厚成反比,所以要求有尽可能高的渗透通量是前提,真正起选择性作用的膜层应该尽可能薄。

  目前,可以很成功地通过不对称结构来制备非常薄的膜。这样的膜不同于对称膜,是由一层很薄的致密表面(活性层)和一个置于其下的多孔支撑层构成的。活性层作为对传质过程真正有选择性的栅栏,基本上决定了膜的分离性能。相反,支撑层只是起着活性层的载体作用,基本不影响膜的分离性能。

  就不对称聚合物膜来说,可以区分为整体不对称结构和组合不对称结构两大类。整体不对称膜可通过转相法(聚合物从某种均相的溶液中沉淀凝固)来制备。此外,活性层和下部支撑结构是由同样的材料构成的。

  在组合不对称膜的情况下,是将一层均质的尽可能薄的聚合物膜涂到微孔结构上。这种被称为复合膜的膜可以由不同的聚合物分别对有选择性的活性层和多孔支撑层进行优化。

  对于这两种膜类型,可根据转相过程中制备参数的不同,或者根据聚合物薄膜的性质不同,既能制成多孔结构的膜,也能制成均质无孔结构的膜。除了这些经典的膜类型外(这些类型代表了在已工业化的膜装置中所应用的绝大多数膜),还有一些较新的开发,例如,多层复合膜或聚合物夹层膜。 转载请注明出处: http://www.chndk.com/view-12620-1.html

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