第六章高分子功能膜材料ppt课件.ppt

《第六章高分子功能膜材料ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章高分子功能膜材料ppt课件.ppt（52页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、2022/11/19,功能高分子材料第六章 高分子功能膜材料,2022/11/19,学校团委的工作主要是做什么的呢？需要制定什么工作计划呢？下面是美文网的小编为大家整理的“中学学校团委工作计划范文”，仅供参考，希望对大家有帮助，欢迎阅读！中学学校团委工作计划范文【1】一、指导思想结合我校本学年的工作中心，从实际出发，切实开展我校团的工作。以加强团员队伍建设，增强团员意识，调动团干部积极性，增加团组织的凝聚力，促进团组织自身建设，更好地发挥共青团组织的作用，为学校的发展和学生的进步创造良好的空间。二、工作目标全面提高我校团员、青少年学生的自身素质提高青年团员、教师的道德水平与师德修养，规范教育教

2、学行为活跃校园文化。1、按照学校中心工作开展行之有效的活动提高团员的综合素质发挥团员的先锋带头作用。2、抓好团员学生的思想道德建设特别是做好团员榜样性教育工作。3、切实加强团队自身建设。4、继续抓好团队常规工作进一步创新工作思路。三、工作要点1、加强组织建设提高组织能力完善“团委团支部团员”的管理体系强化组织领导配备好团支部的领导班子让我校共青团工作充满蓬勃生机和活力使团委工作能有序有效的进行。2、团员注册完善组织结构,主要内容,一 高分子功能膜分类,二 高分子功能膜制备方法,三 膜分离过程,四 膜过程和其他化工过程的联用,膜分离过程应用其他功能膜,2022/11/19,高分子功能膜定义,高分

3、子功能膜是一种具有选择性透过能力的膜型材料，也是具有特殊传质功能的高分子材料，通常称为分离膜，也称功能膜。用膜分离物质一般不发生相变、不耗费相变能，同时具有较好的选择性，且膜把产物分在两侧，很容易收集，是一种能耗低，效率高的分离材料，从功能上来说，高分子分离膜具有物质分离、识别物质，能量转化和物质转化等功能。利用其在不同条件下显出的特殊性质，已经在许多领域获得应用。,2022/11/19,一、高分子功能膜分类,混合物分离膜 使用功能划分 药物释放缓释膜 分隔作用保护膜 气体分离膜高 液体分离膜分 根据被分离物质性质 固体分离膜子 离子分离膜 功 微生物分离膜能 被分离物质粒度大小 超细滤膜、超

4、滤膜、微滤膜 膜 熔融拉伸膜 沉积膜 膜形成过程 溶剂注膜 界面膜 动态形成膜 密度膜 根据膜性质 相变形成膜 乳化膜 多孔膜,2022/11/19,按膜的材料分类,表61 膜材料的分类,2022/11/19,目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占11.7，其他材料的膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。,2022/11/19,1. 纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1, 4甙链连接起来的天

5、然线性高分子化合物，其结构式为：,2022/11/19,从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH,2022/11/19,2. 非纤维素酯类膜材料（1）非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团； 主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性； 化学稳定性好； 具有可溶性； 常用于制备分

6、离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。,2022/11/19,（2）主要的非纤维素酯类膜材料 （i）聚砜类 聚砜结构中的特征基团为 ，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。,2022/11/19,2022/11/19,（ii）聚酰胺类 早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙4、尼龙66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在8090之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为311，分

7、离率可达99.5（对盐水），透水速率为0.6 ml/cm2h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。,2022/11/19,Du Pont公司生产的DPI型膜即为由此类膜材料制成的，它的合成路线如下式所示：,2022/11/19,类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：,2022/11/19,（iii）芳香杂环类 聚苯并咪唑类 如由美国Celanese公司研制的PBI膜即为此种类型。这种膜材料可用以下路线合成：,2022/11/19, 聚苯并咪唑酮类 这类膜的代表是日本帝人公司生产的PBLL膜，其化学结构为： 这种膜对0.5NaCl溶液的分离率达9095，并有较

8、高的透水速率。,2022/11/19, 聚吡嗪酰胺类 这类膜材料可用界面缩聚方法制得，反应式为：,2022/11/19, 聚酰亚胺类 聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。,2022/11/19,其中，Ar为芳基，对气体分离的难易次序如下：H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8易 难 聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，因此开发了可溶性聚酰亚胺，其结构为：,2022/11/19,（v）乙烯基聚合物 用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、

9、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。,2022/11/19,二 膜分离机理 过筛和溶解-扩散,多孔膜的分离机理主要是过筛原理，依膜表面平均孔径的大小而区分为微滤（0.1-10）、超滤（2-100）、纳滤（0.5-5 ），以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶质分子。 多孔膜表面的孔径有一定的分布，其分布宽度与制膜技术有关而成为分离膜质量的一个重要标志。一般来说，分离膜的平均孔径要大于被截留的溶质分子的分子尺寸。这是由于亲水性的多孔膜表面吸附有活动性、相对较小的水分子层而使

10、有效孔径相应变小，这种效应孔径愈小愈显著。 表面荷电的多孔膜可以在表面吸附一层以上的对离子，因而荷点膜的有效孔径比一般多孔膜更小。,2022/11/19,密度膜的分离机理,在膜分离技术中通常将孔径小于1 的膜称为密度膜。这样的膜的分离或传质机理不同于多孔膜的筛分机理，而是溶解-扩散。即在膜上游的溶质（溶液中）分子或气体分子（吸附）溶解于高分子膜界面、按扩散定律通经膜层、在下游界面脱溶 溶解速率取决于该温度下小分子在膜中的溶解度，而扩散率则按Fick扩散定律进行。 一般认为，小分子在聚合物的扩散是由高聚物分子链段热运动的构象变化引起所含自由体积在各瞬间的变化而跳跃式进行的，因而小分子在橡胶态中扩

11、散率比在玻璃态中的扩散率快，自由体积愈大扩散率愈快，升高温度可以增加分子链段的运动而加速扩散速率，但相应不同小分子的选择透过性则随之降低。,2022/11/19,三、分离膜制备方法,相转换法 粉末烧结 多孔膜制备 拉伸致孔法 热致相分离法 核径迹法 铝阳极氧化多孔氧化铝膜制备方法 溶剂涂层挥发法 致密膜的制备 水面扩展挥发法 支撑膜加涂层 复合膜的制备 支撑膜加水面扩展连续超薄膜 界面缩聚法在位制备复合膜,2022/11/19,四、膜分离过程,膜分离过程分为： 多孔膜用于混合物水的分离：渗 析、微滤、超滤、纳滤、亲和膜等。依所用膜分为 致密膜用于电渗析（ED）、逆渗析、气体分离、渗透汽化、蒸汽

12、渗透等过程,2022/11/19,4.1 透析与电渗析 透析 透析是最早发明的膜分离过程。此法效率低，速度慢，处理量小。人工肾膜材料由丙烯酸酯类、聚砜、聚丙烯腈、聚苯醚(PPO)等. 电渗析正负离子在电场驱动下分别向与之对应的电极迁移,速度快,加入有阴阳离子交换膜组成的膜对,即可使离子通过交换膜而实现溶液中的离子的脱除.用于苦咸水淡化、浓盐水制盐、除去果汁中有机酸.,2022/11/19,4.1 透析与电渗析,利用偶极膜的电渗析过程将阳离子膜与阴离子膜复合或在膜的两侧分别引入阴阳离子交换基团即可得到偶极膜。偶极膜中的水分子在直流电场中被电解成了H- 、OH+ ，分别向阴阳极迁移。近年来将离子交

13、换树脂与电渗析过程结合的连续去离子技术（CDI）且不断改进提高水电阻（达到18M.cm）和处理量(250-350L/min).,2022/11/19,离子交换膜的工作原理电渗析 在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。,2022/11/19,电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的淡化、浓缩及钝化

14、；也可通过电渗析实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。 图62为用于食盐生产的电渗析器的示意图。,2022/11/19,图62 食盐生产电渗析器示意图A：阴离子膜，K：阳离子膜；D：稀室，C：浓室,2022/11/19,膜电解 膜电解的基本原理可以通过NaCl水溶液的电解来说明。在两个电极之间加上一定电压，则阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜 允许Na+渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动，在阳极室的反应是：2 Na+ + 2 H2O + 2 e = 2 NaOH + H2 在阴极室的反应为：2 Cl 2 e = Cl2,2022/11/19,用氟代烃单极或双极膜制备

15、的的电渗析器已成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了其他制备氢氧化钠的方法。 如果在膜的一面涂上一层阴极的催化剂，在另一面涂一层阳极催化在这两个电极上加上一定的电压，则可电解水，在阳极产生氢气，而在阴极产生氧气。,2022/11/19,电渗析技术应用领域 自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。 随着电渗析理论和技术研究的深入，我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产，现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。,2022/11/19,电渗析技术在食品工

16、业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。 此外，离子交换膜还大量应用于氯碱工业。全氟磺酸膜（Nafion）以化学稳定性著称，是目前为止唯一能同时耐40NaOH和100温度的离子交换膜，因而被广泛应用作食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。,2022/11/19,全氟磺酸膜还可用作燃料电池的重要部件。燃料电池是将化学能转变为电能效率最高的能源，可能成为21世纪的主要能源方式之一。经多年研制，Nafion膜已被证明是氢氧燃料电池的实用性质子交换膜，并已有燃料电池样机在运行。但Nafion膜价格昂贵（700美元/m

17、2），故近年来正在加速开发磺化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研究，以期降低燃料电池的成本。,2022/11/19,CF2=CF2+SO3 O SO2 重排 O =CF2 CF2 SO2F CF2CF2 OCF2 CF2 CF3 FSO2CF2 CF2（OCF CF2 ）n OCF FC =O CF3 CF3 加热 FSO2CF2 CF2（OCF CF2 ）n OCF = CF2 CF3 （ CF2 CF2=CF2 FSO2CF2 CF2（OCF CF2 ）n OCF CF2 CF2 ） CF3 全氟磺化聚合物的合成线路,SO3与四氟乙烯反应，生成产物与六氟环氧丙烷进行反应构成全氟乙烯基醚单

18、体。这种单体和适当比例的四氟乙烯共聚即可得到所谓的XR树脂。这种树脂为原料经熔融拉伸成膜，做成的膜经碱性水解，在聚合物中形成具有阳离子交换能力的磺酸基团，构成阳离子交换分离膜。由于聚合物全氟化，故耐酸、耐碱、耐溶剂性质大大改善,2022/11/19,反渗透技术1. 反渗透原理及反渗透膜的特点 渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。,2022/11/19,渗透和反渗透的原理如图63所示。如果用一张只能透过

19、水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透（图63a）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图63b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。,2022/11/19,图63 渗透与反渗透原理示意图,2022/11/19,如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水

20、溶液侧，这一过程就称为反渗透（图44c）。 反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为 2100MPa。 用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶质分子。,2022/11/19,4.2 微滤、超滤和纳滤,微滤 微滤的应用在除菌，因而在饮用水处理、食品和医药卫生工业中广泛应用。微滤膜用于果汁澄清及含胶原质废水处理时极易堵塞，需要频繁回洗，采用四氟乙烯微滤膜由于堵塞层与PTFE的黏附力较低，可以很方便地用压缩空气反吹清除。微滤膜也用于气体的净化，如聚偏氟乙烯微 滤膜大量用于生物发酵罐内和医院病室内空气的除尘、除菌，以及含粉体气体（包括烟

21、道气）的除尘，近年来有广泛使用荷电微滤膜进一步提高除尘除菌效率。超滤膜 乙酸纤维素、聚砜和聚丙烯腈是现今通用超滤膜材料。中国科学院广州化学研究所曾开发氰乙基代乙酸纤维素超滤膜能抗菌。中国科学院生态环境中心进行膜防污塞和清洗的工作。,2022/11/19,4.2 微滤、超滤和纳滤,纳 滤 最初的纳滤膜制备方法同逆 渗透膜，实质是用脱盐截留率较低的芳香聚酰胺逆渗透膜，用于燃料等中等分子量的物质（相对分子质量为500）的截留而容许盐和水通过。由于一方面纳滤膜的水通过量远大于逆渗透膜，而纳滤所用压力也较低（1-2.5MPa）；另一方面在无机盐类和有机中等分子量物质的分离以及一价阴、阳和多价阴、阳离子分

22、离的要求，促进了纳滤的发展。 纳滤技术为硬水软化提供了新途径。现行工艺路线：,海水,过滤,沉降,钠离子交换柱去除高价阳离子,逆渗透,淡水,浓水,建议新工艺路线,海水,过滤,沉降,逆渗透,浓水,闪蒸,淡水,淡水,盐,海水,2022/11/19,4.3 气体分离,气体分离膜的渗透机理是 溶解-扩散-脱溶。驱动力是压差。气体混合物的分离迄今得到应用的主要是利用气体在高分子膜材料中的扩散速度速率不同。 在研究各种膜材料对N2和CH4的透过速率时发现，对聚砜膜 N2的透过率大于CH4的透过速率，而对硅橡胶膜相反。丁烷的透过速率比CH4 还大，这只能用C 14烃类在膜中的溶解度大来解释，而硅橡胶则是从空气

23、中回收挥发性有机蒸气（VOC ）的第一个材料,还可以从天然气甚至氮气中回收C 3、C 4气体。 增田和东村等合成的聚三甲基硅基丙炔（PTMSP）是气体透过速率最大的 膜材料。近年有聚二苯基乙炔衍生物、聚4-甲基戊炔等膜材料。缺点：普遍存在物理老化问题。,2022/11/19,4.4 亲和膜 随着生物工程技术的发展，其下游产品的分离提纯愈见重要。生物化学中利用亲和层析法进行分析和分离。它的原理是基于被分离物质（如氨基酸、蛋白质等）与含有亲和基团的树脂（柱）选择吸附。亲和层析只能限于分离少量纯物质，难以大规模制备。随着膜技术的发展，利用含亲和基团的亲和膜（一般是微滤膜）分四步即可分离出较纯的物质，

24、即：1亲和吸附；2洗涤；3脱附；4浓缩-用纳滤、超滤或渗透。 对具有生理活性的 手性化合物药物也可用上述方法分离。药物的合成步骤较多，总收率很低，最终产物因是外消旋体，只有一半是有效药物，因此另一半手性化合物的分离再用，有重要的经济价值。现在大规模生产的药物，每一种手性药物的分离再生，将有上亿美元的经济效益。所以手性药物的膜法分离纯化已成为当前重要研制热点。,2022/11/19,五.膜过程和其他化工分离过程的联用,利用各种膜过程联合解决实际应用中的问题称为集成膜过程。膜过程和其他化工过程的联合也叫杂化膜过程，它代表了膜过程应用发展的新趋势，不是单纯地去取代旧的化工过程，而是与其他化工过程联合

25、，各取所长，发挥综合优势。4.1 膜萃取 在一般液-液萃取过程中需要搅拌使液滴分散。增加萃取界面面积，这就增加了动力消耗。如在多孔膜两侧流过被萃取相和萃取相，则可以经过微孔进行萃取；如果将萃取相固定在多孔膜中，一侧流过被萃取相，另一侧流过反萃相，则萃取和反萃将可同时连续进行。4.2 膜蒸馏 用憎水多孔膜分割水溶液，以温差作为驱动力，可使水分子不透过膜而水蒸气分子能在蒸气压差驱动下透过膜冷凝,2022/11/19,而达到蒸馏的目的。蒸馏不必在水的沸点进行，因而可以利用太阳能、温泉、锅炉和柴油机等的冷却用水等热源，达到从海水或苦水制取蒸馏水的目的。如同时在下游侧减压，则为减压膜蒸馏，可以提高产水速

26、率。减压膜蒸馏也可用于果汁的浓缩，避免高温浓缩时风味的变劣。 渗透蒸馏已实用于果汁的浓缩。果汁中的水分在蒸汽压差驱动下透过憎水膜而被下游侧的浓盐水吸收，它也被称为膜吸收，实质上是膜蒸馏的一种。果汁不会因受热而影响香味和风味如加热果汁到一定温度（保持果汁风味不变）以增加蒸汽压差和透过速率，则为渗透膜蒸馏。 透过多孔膜的 如不是水分子而是氨、二氧化碳等小分子，被下游侧的水、稀酸、稀碱所吸收，称为膜吸收过程，也属于膜蒸馏的范畴。,2022/11/19,4.3 膜反应器 在膜反应器中将反应和分离相结合，通过在反应的同时将反应产物或产物之一分离出去，即可影响反应的平衡向产物方向移动，从而增加反应的单程收

27、率。这在异相催化反应有重大意义。4.4 酶膜反应器 生物工程中均以酶制剂或其载体（微生物或其尸体）作为催化剂。酶制剂较昂贵，使用后必须回收。过去用固相化酶将酶固定在树脂上作为反应柱，技术复杂。酶反应器将酶置在多孔中空纤维膜之间，反应底物流经膜，反应产物再经过微孔膜为成品。,2022/11/19,五.膜分离过程的利用,在水资源再利用、环境保护、微电子工业、化学工业、食品工业、医药工业及生物工程等各个方面都有广泛应用。,2022/11/19,六.其他功能膜材料,6.1 Langmuir-Blodgett膜 定义：LB膜是指在水和空气界面形成的分子有序排列的单分子膜，将这种分子膜用某种方法移动到固体

28、基质上，以便于进一步研究使用。应用：它主要应用于非线性光电子器件、压电装置、热电装置、光电转换装置、电显示装置、新型半导体器件及化学敏感器的制作方面,2022/11/19,6.2 自我成型膜(Self-assembled monolayers SA)定义：自我成型膜是当合适的介质浸入含有某种活性分子的有机溶剂时自发形成具有特定功能的单分子层膜。这些SA膜包括有机硅分子在含有羟基表面的固体介质（玻璃、金属及非金属氧化物等）上形成的单分子层，以及烷基硫醇在金、银和铜表面，二烷基硫醚在金表面，醇和胺类在铂表面，羧酸类在氧化铝和银表面形成的单分子膜都属于这一类SA膜。应用：它和LB膜的应用大致一样，但

29、由于SA膜在稳定性方面的优势，如用三氯硅烷衍生物制备的SA膜，可以作为一种润滑手段用在一些需要减小摩擦的表面，如磁记录材料，它可以大大减小磁带和磁头之间的摩擦，保护磁性材料和磁头，提高其使用寿命。,2022/11/19,SA膜还可制成多层膜，层与层之间可以是有相同分子构成，也可以有完全不同的分子构成，以适应不同需要。当三氯硅烷衍生物分子另一端含有反应性官能团时，多数是显性或者隐性羟基，可以据此进行连续反应制备相同分子，或者不同分子的多层SA膜。首先一端带有甲酯基团的长链的三氯硅烷与固体介质表面的羟基反应，在载体表面制成单层SA膜，经过氧化锂铝还原，将甲酯还原成羟基；生成的羟基可以继续与同种，或者非同种三氯硅烷衍生物反应，制成两层SA膜。重复以上过程即可得到多层SA膜。,2022/11/19,CO2Me CO2Me CO2MeCO2Me Si O Si O Si OH OH OH O O O LiAlH4SiCl3CO2 OH CO2 OH CO2 OH CO2Me CO2Me CO2Me 重复第一步Si O Si O Si Si O Si O Si O O O O O O CH2 CH2 CH2 Si O Si O Si 多层SA膜 O O O 多层SA膜的制备,2022/11/19,thank you !,返回目录,