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01
對(duì)(含氟)高分子材料與高分子膜技術(shù)的認(rèn)識(shí)
高分子分離膜有多種分類(lèi)方法,包括:材料種類(lèi)、使用功能、被分離物質(zhì)性質(zhì)、粒度大小、膜的形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)和形態(tài)、以及用途的不同。其中常見(jiàn)的分類(lèi)方式有:無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜、氣體、液體、固體、離子和微生物分離膜、反滲透膜、納濾膜、超濾膜和微濾膜。這些膜以不同的形式應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,如廢水凈化、海水淡化和診斷癌癥等。
水處理膜技術(shù)從分離精度上劃分:微濾、超濾、鈉濾、反滲透等幾類(lèi)。這些膜分離產(chǎn)品均是利用特殊制造的多孔材料的攔截能力,以物理截留的方式去除水中一定顆粒大小的雜質(zhì)。其過(guò)濾的精度和濾膜本身的孔徑大小有關(guān)。通常習(xí)慣把孔徑較大的稱(chēng)為微濾(0.1-1μm),而較小的稱(chēng)為超濾0.02-0.1μm,根據(jù)膜的微孔徑更小的還有鈉濾和反滲透。
微濾(MF):在0.1-1μm之間;
超濾(UF):在0.02-0.1μm之間大分子物質(zhì)和雜質(zhì);
鈉濾(NF):能截流鈉米級(jí)單位(0.001μm-1nm)的物質(zhì);
反滲透(RO):截流單位≤1nm的物質(zhì);
02
微濾、超濾、納濾、反滲透的功能機(jī)理與區(qū)別
分離膜利用膜對(duì)不同物質(zhì)透過(guò)性不同的特性對(duì)混合物進(jìn)行分離,膜的透過(guò)性和選擇性是兩個(gè)重要的指標(biāo)。膜分離主要依靠過(guò)篩作用和溶解擴(kuò)散作用。過(guò)篩作用依賴于物質(zhì)粒徑尺寸和網(wǎng)孔大小,同時(shí)分離膜和被分離物質(zhì)的性質(zhì)也是重要因素。溶解擴(kuò)散作用中,影響溶解能力的因素包括被分離物質(zhì)的極性和酸堿性質(zhì),影響擴(kuò)散能力的因素包括被分離物質(zhì)的形狀和尺寸。選擇性吸附機(jī)制中,膜材料對(duì)部分物質(zhì)的選擇性吸附會(huì)影響分離效果。驅(qū)動(dòng)力包括濃度梯度、電場(chǎng)和壓力驅(qū)動(dòng)力。被分離物質(zhì)的性質(zhì)、濃度、荷電情況等也會(huì)影響驅(qū)動(dòng)力的大小。膜的阻礙性取決于其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和孔徑,而不同物質(zhì)的透過(guò)性差異則決定了選擇性。
微膜(MF):
超濾膜(UF):
一種孔徑規(guī)格一致,額定孔徑范圍為0.001-0.02微米的微孔過(guò)濾膜。采用超濾膜以壓力差為推動(dòng)力的膜過(guò)濾方法為超濾膜過(guò)濾。超濾膜大多由醋酯纖維或與其性能類(lèi)似的高分子材料制得。適于處理溶液中溶質(zhì)的分離和增濃,也常用于其他分離技術(shù)難以完成的膠狀懸浮液的分離,其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大。
超濾膜一般為高分子分離膜,用作超濾膜的高分子材料主要有纖維素衍生物、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺及聚碳酸酯等。超濾膜可被做成平面膜、卷式膜、管式膜或中空纖維膜等形式,廣泛用于如醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)境工程等。
RO反滲透的由來(lái):
1950年美國(guó)科學(xué)家DR.S.Sourirajan有一回無(wú)意發(fā)現(xiàn)海鷗在海上飛行時(shí)從海面啜起一大口海水,隔了幾秒后,吐出一小口的海水,而產(chǎn)生疑問(wèn),因為陸地上由肺呼吸的動(dòng)物是無(wú)法飲用高鹽份的海水的。經(jīng)過(guò)解剖發(fā)現(xiàn)海鷗體內(nèi)有一層薄膜,該薄膜非常精密,海水經(jīng)由海鷗吸入體內(nèi)后加壓,再經(jīng)由壓力作用將水分子貫穿滲透過(guò)薄膜轉(zhuǎn)化為淡水,而含有雜質(zhì)及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴外,此即往后反滲透法的基本理論架構(gòu);并在1953年由University of Florida應(yīng)用于海水淡化去除鹽份設(shè)備,在1960年經(jīng)美國(guó)聯(lián)邦政府專(zhuān)案支助美國(guó)U.C.L.A大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授Dr.S.Sidney Lode配合DR.S.Soirirajan博士著手研究反滲透膜,一年約投入四億美元經(jīng)費(fèi)研究,以運(yùn)用于太空人使用,使太空船不用運(yùn)載大量的飲用水升空,直到1960年投入研究工作的學(xué)者、專(zhuān)家越來(lái)越多,使之質(zhì)與量更加精進(jìn),從而解決了人類(lèi)飲用水中的難題。
03
制備膜需要的高分子材料
分子聚合物廣泛應(yīng)用于制備各種膜分離過(guò)程,可以使用任何可成膜的高分子材料制備分離膜。這些材料一般具有特殊傳質(zhì)功能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、親水性、抗壓密性、耐熱性和可溶性。膜材料的性能直接影響分離過(guò)程的效率和速度。因此,選擇合適的膜材料對(duì)膜分離過(guò)程性能的提高是至關(guān)重要的。
含氟高分子材料主要包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等。它們具有耐腐蝕性能,尤其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)度和耐溫、耐腐蝕、耐溶劑性能,多用于制備超濾膜。
比如:
聚酰胺類(lèi)高分子是一系列含有酰胺鏈段(-CONH-)的聚合物。這類(lèi)聚合物機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好,尤其是高溫性能優(yōu)良,適合制作需要高機(jī)械強(qiáng)度的分離膜。
聚砜類(lèi)膜材料具有良好的耐氯、耐酸堿的化學(xué)性能,化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性也很好,最高使用溫度達(dá)120℃,pH值適應(yīng)范圍為1-13。膜制備以聚砜為原材料所制成的膜具有膜薄、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。此外,它還廣泛用于制作復(fù)合膜的底膜。
比如:
PS(聚砜)超濾膜,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,耐酸堿性能優(yōu)良(PH2-13),透水性能較好,強(qiáng)度在有機(jī)高分子材料制成的膜中較高,(爆破壓力>0.6Mpa),使用壽命長(zhǎng),正常使用在2年以上。聚砜外壓式中空纖維超濾膜(截留分子量6000-20000),尤其適用于特種行業(yè)(如生化、醫(yī)藥、化工等)的濃縮、分離、提純,截留性能穩(wěn)定。
聚烯烴是一類(lèi)常用的聚合物材料,包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈和聚丙烯酰胺等。這些材料廣泛應(yīng)用于大工業(yè)中,易得且易加工。雖然疏水性強(qiáng)、耐熱性差,但是它們主要用于制備微濾膜、超濾膜和密度膜等。聚乙烯醇是一種水溶性聚合物,由于其含有大量羥基,具有良好的親水性和耐酸性。
比如:
在分離膜材料中,天然高分子材料是一類(lèi)非常重要的原料。其中包括改性纖維素及其衍生物類(lèi)、殼聚糖類(lèi)等。這些材料不僅具有優(yōu)異的分離性能,而且天然、環(huán)保、無(wú)毒、無(wú)害,符合現(xiàn)代工業(yè)綠色發(fā)展的要求。除此之外,海藻酸鈉也是一種常用的天然分離膜原料之一。海藻酸鈉是從海藻中提取出的一種天然高分子物質(zhì),表現(xiàn)出極高的生物相容性和生物降解性。
隨著科技的不斷進(jìn)步,新型高分子分離膜的發(fā)展也在不斷加速。其中,由兩種以上材料構(gòu)成的分離膜,如無(wú)機(jī)/有機(jī)膜組合,或者兩種以上類(lèi)型的膜組合在一起,如密度膜/多孔膜組合、液體膜與固體膜組合等,被稱(chēng)之為復(fù)合膜。此外,新型耐高溫高分子分離膜在耐熱溫度方面表現(xiàn)出色,極大地拓寬了膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。高分子分離膜的應(yīng)用也非常廣泛,如在海水淡化、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、藥物緩釋等方面都有著廣泛的應(yīng)用。這些都是新時(shí)代材料科技進(jìn)步的重要體現(xiàn)。
04
高性能膜的前景研究與建議
為進(jìn)一步有效推進(jìn)我國(guó)高性能膜材料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展,建議:
1、加強(qiáng)原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究。重點(diǎn)開(kāi)展均孔、限域傳質(zhì)膜等領(lǐng)域研究,開(kāi)發(fā)顛覆性膜材料如二維膜材料。構(gòu)建面向應(yīng)用過(guò)程膜材料的分子設(shè)計(jì)、表面性質(zhì)調(diào)變和孔道微結(jié)構(gòu)控制方法;研究分離過(guò)程中膜表面、限域效應(yīng)及物質(zhì)在納微孔道的傳遞行為,在膜材料的基礎(chǔ)理論方面取得突破。
2、開(kāi)發(fā)高性能膜材料產(chǎn)品。面向國(guó)家重大需求,攻克高性能低成本水處理膜(如混合基質(zhì)膜、有機(jī) - 無(wú)機(jī)復(fù)合膜材料、抗污染反滲透膜、有機(jī)納濾膜等)、特種分離膜(高裝填密度低成本陶瓷膜、耐酸型中空纖維分子篩膜、先進(jìn)離子交換膜等)及氣體分離膜(新型高溫分離膜、揮發(fā)性有機(jī)物回收膜、二氧化碳分離膜等) 等規(guī)模化制備關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)發(fā)面向重大工程或高端領(lǐng)域應(yīng)用的高性能膜材料產(chǎn)品。
3、加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)膜材料應(yīng)用示范。開(kāi)展膜集成應(yīng)用技術(shù)研究, 開(kāi)拓國(guó)產(chǎn)膜技術(shù)在煤化工、石油化工、生物能源等領(lǐng)域的應(yīng)用, 積極推進(jìn)膜技術(shù)在大宗化學(xué)品分離中的應(yīng)用,尤其是電子級(jí)溶劑和化學(xué)品生產(chǎn)中的應(yīng)用,開(kāi)展集成應(yīng)用示范;強(qiáng)化高性能膜材料的應(yīng)用,促進(jìn)其在我國(guó)水資源環(huán)境綜合治理、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及清潔利用、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)、社會(huì)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用 。