文档介绍：第二章膜材料化学
•膜是膜技术的核心,而决定膜的功能又
包括膜材料的化学性质及膜的结构,因
而与膜的制备过程有关。本章从化学基
本原理出发,介绍不同膜过程所用的膜
材料的种类,选择膜材料的主要方法和
其化学依据。
膜技术中待解决的问题
•随着新型膜过程的开发,人们越来越认识到研究膜材料的重要
性。尽管膜分离技术在工业中获得了广泛的应用,但是人们对膜
材料的研究仍缺乏足够的认识,如用于无机盐和有机物水溶液分
离的膜材料应具有怎样的化学结构,目前还只能作一般性的回
答;在反渗透操作过程中,如何选择膜材料来同时提高纯水的透
过量和电解质的截留率;在电膜过程中特别是双极膜水解离中,
为了耐较高的电压,膜材料应具有什么样的结构;同时为了降低
双极膜的水解离电压,应选择什么结构的材料作为双极膜的中间
层?在超滤膜的过程中,为了防止凝胶层的形成,膜材料应具有
怎样的化学结构;在气体分离及渗透汽化过程中,什么结构的膜
材料才能对透过组分具有优先溶解、扩散能力?等等。特别是目
前人们还不能把膜的分离或反应性能与膜的基团结构建立起定量
的关系。
膜材料分类
•无机膜材料:多孔石英玻璃、多孔陶瓷、多孔
钨(金属薄膜)、ZrO2、ZnO2、Al2O3、
TiO2、SiO2、活性炭、不锈钢;
•有机高分子膜材料
应用领域:
•液体分离膜材料:MF\UF\NF\RO
•气体分离膜材料:GS\PV
•荷电膜材料:\ED\DD\BPED
液体分离膜材料-纤维素类
•结构:纤维素只指植物细胞材料中的高分子,这些高分
子含有几百至几千个脱水葡萄糖。习惯上常用纤维素这
个词指植物材料,其主要成分见表2-1。
•纤维素中的脱水葡萄糖是一个椅状的环形结构,链的重
,电子显微镜和X射线研究表明植
物细胞壁内的纤维素呈线状结构,称为元纤维。纤维素
分子的长轴平行于单元纤维的长度方向。单元纤维的宽
度为35埃,横截面积为3000平方埃(50*60或
30*100),单个纤维分子的横截面积为32平方埃。这些
数据表明天然纤维素具有相当硬的线性棒状结构。
纤维素结构示意图
纤维素的分子结构中每个重复单元含有三个游
离醇羟基,一个是伯羟基,两个是仲羟基,因此使纤
维素具有高度亲水性。
纤维素特性
•很好的亲水性:能顽固地保持水分,即使在105°C干燥仍
%的水分,用P2O5干燥,纤维素保持约1%的水
分,只有真空加热干燥,%;-
------最早的反渗透和超滤膜材料
•天然纤维素抗氧化能力差、易水解、压密,抗微生物侵蚀
能力也较弱,因此对其进行一系列的改性和接枝形成纤维
素系膜材料,如三醋酸纤维素(CTA)、醋酸丙酸纤维素
(CAP)、再生纤维素(RCE)、)醋
酸丁酸纤维素,乙基纤维素等。特别是在纤维素分子中
引进一个或几个酯基,可改变其亲水性之比及反应官能团
的数目,这两种改变极大地影响材料的特性。
•改性的和未改性的广泛的应用各种液体分离膜过程中。
改性纤维素的结构
三醋酸纤维素
液体分离膜材料-聚酰胺类
•聚酰胺类是含酰胺链段-CONH-的一系列聚合物,这是
一很大族聚合物,如芳香聚酰胺(PI),尼龙-66
(NY-66),芳香聚酰胺肼(PPP),聚苯砜,对苯二
甲酰(PSA)等。但只有表2-3列出的几种聚酰胺用于
液体分离膜材料(超滤和反渗透)
•芳香聚酰胺一般为非对称性中空纤维材料,其表面覆
盖有含氮聚合物,一般为-(LR)n -,其中L为二价
氮, R为两价的芳香根,常见的含氮芳香高分子重复
单元见表2-4。
液体分离膜材料- 聚砜类
•这种聚合物的一般结构为R1-SO2-R2,若R1和
R2有一个带有苯环则称芳香聚砜,否则为脂肪
族聚砜。唯有前者有足够大的分子量,又能和
二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和氮甲基吡咯烷
酮有良好的相溶性,是反渗透和超滤膜的重要
膜材料;同时由于其性能稳定、机械强度好,
是许多复合膜的支撑材料。目前主要有四种商
品聚砜供应,其单元结构如下
CH3 O
C O S O
聚砜Udel n
CH3 O
O O
聚芳砜Astrel S O S
O O n
O
聚醚砜Victrex S O
O n
O
聚苯砜Radel O S O
O n