(一)膜的定義
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,滲透汽化也在最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。
(二)膜的特性
◆不管膜多薄, 它一定有兩個(gè)界面。這兩個(gè)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。
(三)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(jī)理、分離過程、孔徑大小進(jìn)行分類。
◆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,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(shí)驗(yàn)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。
3.2、按結(jié)構(gòu)分類:對(duì)稱膜(微孔膜、均質(zhì)膜)、非對(duì)稱膜、復(fù)合膜
(1)對(duì)稱膜
膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)在各個(gè)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(duì)稱膜雖是各向同性的,但由于膜結(jié)構(gòu)中對(duì)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(duì)稱膜
(2)非對(duì)膜
當(dāng)前使用最多的膜具有精密的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這種膜具有物質(zhì)分離最基本的兩種性質(zhì),即高傳質(zhì)速率和良好的機(jī)械強(qiáng)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(duì)分離特性和傳遞速度影響很小,非對(duì)稱膜除了高透過速度外,還有另一優(yōu)點(diǎn),即被脫除的物質(zhì)大都在其表面,易于清除,
(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、研究最多的膜。它最早用于反滲透過程;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(duì)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(duì)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最小,而有利于物質(zhì)傳遞。
超濾通常截留分子量范圍在1000~300000,故超濾膜能對(duì)大分子有機(jī)物(如蛋白質(zhì)、細(xì)菌)、膠體、懸浮固體等進(jìn)行分離,廣泛應(yīng)用于料液的澄清、大分子有機(jī)物的分離純化、除熱源。
6.3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(cuò)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)
6.4反滲透膜
◆反滲透膜的分類,按驅(qū)動(dòng)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(duì)象等進(jìn)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。
四.總結(jié)
◆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(shí)驗(yàn)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(duì)稱的或不對(duì)稱的。
◆近年來,無機(jī)陶瓷膜材料發(fā)展迅猛并進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷膜和金屬膜亦可以是對(duì)稱或不對(duì)稱的,但制備方法完全不同。
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