膜科学技术 - 图文

第一章 导论

1.1膜科学技术

膜分离过程已逐渐成为化学工业、食品加工、水处理、医药技术等方面的重要分离过程。已经工业化的有微孔过滤、超滤、反渗透、电渗析和气体分离等，渗透汽化也已建成几种工业规模的装置。膜分离与反应结合的过程，各种膜反应器的研究与应用也发展较快。其他非分离膜过程，如控制释放技术、医用人造膜和膜传感应器的种类也不少，有的发展速度将超过膜分离过程。各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求。但有其共同点，如过程一般较简单，经济性较好，往往没有相变，可以在常温下操作，即节约能耗，又特别适用于热敏性物质的处理，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。各种膜过程，又以不同结构与性能的膜为主要决定因素。因此，各种膜过程、膜的形成机理、膜材料和成膜条件，以及如何控制其结构等，都是膜科学技术领域中的重要内容。

膜科学技术涉及的学科不少，例如：适应不同分离要求的膜“剪裁技术”，它与膜材料和结构的研究有关，属于高分子化学和无机化学的研究范畴；过程的分离特性、传质性质、机理和数学模型，属于无机化学和数学研究范畴；过程中涉及的流体力学、传热、传质、化工动力学以及过程的设计和工业应用，主要属于化学工业研究范畴；生化技术、医药方面的应用，涉及生物学和医学；生物膜、生物合成膜属于化学和生物学的研究范畴；其他如食品、石油和环境保护的领域的膜过程，还涉及有关各行业和学科。在科学发展和相互渗透的基础上，膜科学技术有了迅速的发展；同时，膜科学技术的研究和应用，也促进了有关学科的开拓和发展。

近20多年来，国际上应用化学和化学工程学科对膜科学技术较为重视，因此膜科学技术在化学、化工领域中的应用发展较为显著，正在与材料科学、药物学、电子工业学和生命科学等学科更好等交叉结合，以解决现代科学中的很多重要问题。

1.1.1膜的定义

一个包含各方面的精确的、完整的膜（membrane）定义是不容易得出的。现代著名科学家霍金（Stephen Hawking ）认为我们生活在一张大“膜”上，写了“Brane New World”（原书“The University in a Nutshell”中第七章）把新世界的模型描写为膜的世界。可以简单地说，我们生活在一个四维空间里，除了三维之外，另一维即为时空（space time）。他广义的描述了膜及构成的世界模型。一种最通用的广义定义是把“膜”定义为两相之间的一个不连续区间，其尺寸中，一维大大的小于其他二维，极薄。膜可分为气相、液相和固相，或是它们的组合。定义中“区间”用以一种固体之间的相界面。一种气体和一种液体之间的相界面，或一种气体和一种固体之间的相界面，它们均不属于这里所指的“膜”。广义“膜”是指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物质，有选择性，它可以是均相的或非均相的；对称型或非对称型的；固体的或液体的，大多为固体的；中性的或荷电性的。其厚度可以从几微米到几百微米。膜涉及多种物质和多种结构，也涉及各种不同的用途，因此其分类方法也有多种。

1.1.2膜科学技术的发展简况

膜和膜技术的发现早在1948年Abbe Nollet发现水自发地透过猪膀胱渗透现象(osmosis)开始，19世纪发现Fick扩散定理可用于透过膜的扩散现象、气体分离、渗析和渗透压力等研究。20世纪以来，开始研究Donnan电渗析、微孔膜、初期的超滤、反渗透，研究膜电势是电渗析和电极的基础，以及初期的人工肾研究。50年代以来，合成膜的研究、电渗析微孔过程和血液渗析等分离技术开始进入工业化应用。60年代Loeb和Saurirajan共同研制成高脱盐率、高透水能力的非对称型醋酸纤维素的反渗透膜，使反渗透技术进入工业化应用。70年代超滤技术进入工业化。80年代开始，膜分离技术用于气体分离，如：Monsanto公司

的Prism系统的建成，分离H2/N2，Dow公司建成N2/O2分离装置等。80年代至90年代，渗透汽化研究有了新进展，如1998年由原GFT公司在法国建成日产15万升无水酒精装置，以及MeOH/MTBE分离等。90年代以来新的膜分离过程，膜-基平衡分离(membrance-based equilidrium separation），如液-液分离的膜萃取，气-液分离的膜吸收、膜气提、膜真空蒸馏等，当前常以膜接触器（contactor）的研究出现，其他还有促进传递过程，膜反应器、传感器、控制释放等膜技术发展很快，可携带能源燃料电池因膜技术的研究开发，使之可在工业上应用，因而为膜科学研究者倍加关注，并已成为最新的一个热点。

我国的膜科学技术开始于1958年离子交换膜的研究，20世纪60年代研究反渗透膜，曾组织全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科学技术的发展；70年代就已开发出反渗透、超滤、微滤和电渗析等器件设备，随后投入工业应用；80年代继续发展液体分离之外，气体膜分离和渗透汽化等也进入开发和研究阶段，有的已工业应用或建成中试装置，其它新技术也在不断研究开发之中。

1.1.3主要的膜科学专著与文献介绍

1.1.3.1有关提供背景材料和许多专题深度研究的专著 1.1.3.2研究合成膜及膜分离技术的过程

1.1.3.3近年来出版的主要新书简介

我国编写的有关膜和膜过程的书

⑴时均，袁权，高从楷等编著. 膜技术手册.北京：化学工业出版社，2001。

⑵朱长乐，刘茉娥等编著.莫科学技术.杭州：浙江工业出版社，1992。

⑶朱长乐等编著.薄膜过程.见:化工手册，18篇.北京：化学工业出版社，1987。 ⑷高以恒，叶凌碧编著.膜分离技术基础.北京：中国科学出版社，1989。 ⑸刘茉娥等编著.膜分离技术.北京：化学工业出版社，1998。 1.1.3.4主要刊物

⑴膜科学与技术

⑵水处理技术 ⑶化学学报 ⑷化工学报 ⑸高分子学报

1.2膜的分类和特性

由于膜的种类和功能繁多，分类方法有多种，比较通用的有四种方法。即按膜的材料分类、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。

1. 按膜的材料分类

⑴天然膜 生物膜（生命膜）；天然物质改性或再生而制成。

⑵合成膜 无机膜：金属的、硅酸盐的、玻璃的等等；有机膜及高分子聚合膜；仿生膜（合成生物膜）：单分子层、双分子层、多分子层膜等。 2. 按膜的种类分类

⑴多孔膜 微孔介质、大孔膜。 ⑵非多孔膜 无机膜、聚合物膜。

⑶按晶型区分 结晶型、无定型

⑷液膜 无固相支撑型（又称乳化液膜），有固相支撑型（又称固定膜或支撑液膜）。 3. 按膜的用途分类 ⑴气相系统中的用膜 ⑵气-液系统中的用膜

⑶液-液系统中的用膜 ⑷气-固系统中的用膜 ⑸液-固系统中的用膜 ⑹固-固系统中的用膜 4. 按膜的作用机理分类 ⑴吸附性膜 ⑵扩散性膜 ⑶离子交换膜 ⑷选择渗透膜 ⑸非选择性膜

本书主要介绍高分子合成膜，天然膜仅于第十章介绍了有关生物膜及生物合成膜（或称合成生物膜或仿生膜）及其密切关系。近年来，无机材料膜，特别是硅酸盐半透膜，及其以化学性能稳定、耐高温和耐腐蚀等特点制成的复合膜和载有催化剂的多孔膜的研究，正在蓬勃兴起。这些膜及其应用，将适当阐述。

根据各物理结构和化学性质，一般可将膜分为下列几种基本类别：①微孔膜（多孔膜）；②均质膜（非多孔膜）；③非对称型膜；④复合膜；⑤荷电膜；⑥液膜。 复合膜中新开发的有混合结构（mixed-matric membrance），荷电膜中当前最关注的是高分子导电膜（PEM, polymer electrolyte membra …… 此处隐藏：4981字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……