高分子分離膜材料
01
什么是高分子分離膜
高分子分離膜主要就是以高分子材料制成的具有選擇性透過功能的半透性薄膜，其主要就是以壓力差以及溫度梯度等作為動(dòng)力，將氣體混合物以及無機(jī)物的溶液等分離。膜分離在進(jìn)行分離的時(shí)候往往會(huì)進(jìn)行反滲透、超濾、微濾以及電滲析等諸多過程。
多孔膜分離性能
在進(jìn)行分離膜高分子材料選擇的時(shí)候具有多樣性，譬如天然高分子材料、聚烯烴類材料等，膜本身的形式也是比較多的，目前比較常見的就是平膜以及空中纖維等。通過高分子分離膜的進(jìn)一步推廣不僅能夠獲得較大的巨大經(jīng)濟(jì)效益，還能夠帶來較大的社會(huì)效益，譬如通過離子交換膜電解食鹽能夠有效的降低污染，達(dá)到節(jié)約能源的日的，在進(jìn)行海水淡化的時(shí)候還能夠有效的減少其能源的消托等等。
02
膜分離技術(shù)及其特點(diǎn)
膜分離技術(shù)是指在某種推力（壓力差、濃度差、電位差等）作用下，利用天然或人工制備的、具有選擇透過性的薄膜對雙組分或多組分液體或氣體進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富集。膜分離技術(shù)是當(dāng)代新型高效的分離技術(shù)，也是21世紀(jì)最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一。
膜分離過程作為一項(xiàng)高效分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)，它具有傳統(tǒng)分離方法（蒸發(fā)、萃取或離子交換等）不可比擬的優(yōu)勢，因而在海水淡化、環(huán)境保護(hù)、石油化工、節(jié)能技術(shù)、清潔生產(chǎn)、醫(yī)藥、食品、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并將成為解決人類能源、資源賈園和環(huán)境危機(jī)的重要手段"，有力地促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展。
膜分離技術(shù)具有以下特點(diǎn)：
可常溫下進(jìn)行
分離過程中不發(fā)生相變化，能耗低
適用于膜分離過程的對象非常廣泛，大到肉眼看得見的顆粒，小到離子和氣體分子
膜分離過程操作容易、裝置簡單、易于自動(dòng)控制和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)
03
高分子分離膜材料的分類
天然高分子材料類
天然高分子材料類主要包括改性纖維素及其衍生物類、殼聚糖類，此外，海藻酸鈉類也是天然分離膜原料。
纖維素是一類資源豐富的天然高分子化合物，主要取源手植物細(xì)胞材料，為可再生資源。如下圖所示,纖維素高分子中椅形環(huán)狀的葡萄糖單元結(jié)構(gòu)含有3個(gè)羥基基團(tuán)，羥基之間形成分子間氫鍵,因而纖維素的線型鏈結(jié)構(gòu)排列比較規(guī)則，結(jié)晶度較高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，高度親水而不溶于水。纖維素及其衍生物成膜性能好，成膜后其有選擇性高、親水性強(qiáng)、透水量大等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于微濾和超濾,也可以用于反滲透、氣體分離和透析等。
聚烯烴類材料
聚烯烴類材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺等。這類材料是大工業(yè)產(chǎn)品，材料易得，加工容易；除了少數(shù)幾種之外，一般疏水性強(qiáng)，耐熱性差，主要用于制備微濾膜、超濾膜、密度膜等。
聚酰胺類材料
聚酰胺類高分子是指含酰胺鏈段（－ＣＯＮＨ－）的一系列聚合物，其突出特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，特別是高溫性能優(yōu)良，適合制作需要高機(jī)械強(qiáng)度場合的分離膜，由于聚酰胺類膜對蛋白質(zhì)溶質(zhì)有強(qiáng)烈的吸附作用，容易由蛋白質(zhì)吸附造成的膜污染，降低膜通量的恢復(fù)和膜質(zhì)量。
聚砜類材料
聚砜類膜材料具有良好的耐氯、耐酸堿的化學(xué)性能以及化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性，最高使用溫度達(dá)120℃，ｐＨ值適應(yīng)范圍1～13。由聚砜制成的膜具有膜薄、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，并用于制作復(fù)合膜的底膜。
含氟高分子材料
含氟高分子材料包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等，其突出特點(diǎn)是耐腐蝕性能，適合用于電解等高腐蝕場合的膜材料。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，作為膜材料具有很好的耐溫、耐腐蝕，耐溶劑性，多用于制備超濾膜。
芳香雜環(huán)
芳香雜環(huán)類膜材料雖然品種繁多，但工業(yè)化的主要有聚苯并咪唑類和聚吡嗪酰胺類。下圖為聚苯并咪唑類的制備方法：
其他
有機(jī)硅聚合物類具有耐熱、抗氧化、耐酸堿等性質(zhì)，是一種新型分離膜制各材料；高分子電解質(zhì)類主要是全氟取代的磺酸樹脂和全氟羧酸樹脂，是制備離子交換分離膜的主要材料，適合在高腐蝕環(huán)境下使用，特別是氯堿工業(yè)中的膜法工藝路線。
04
高分子分離膜的結(jié)構(gòu)與性能
#01
化學(xué)組成
化學(xué)元素及化學(xué)基團(tuán)是物質(zhì)組成的基礎(chǔ)，決定了物質(zhì)的基本性質(zhì)，如氧化還原性、酸堿性、極性、溶解性和物理形態(tài)等?；瘜W(xué)組成還決定了分離膜材料的化學(xué)穩(wěn)定性，親水性或親油性，以及對被分離材料的溶解性等，直接影響膜的透過性、溶脹性、毛細(xì)作用等性質(zhì)。
在分子結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)極性基團(tuán)，如羥基、羧基、磺酸基，膜的親水性會(huì)改善；以氧原子、硫原子等引入到聚合物主鏈中,或?qū)O性較大的基團(tuán)，如三氟甲基接枝在聚合物主鏈上，聚合物的柔性會(huì)增加，分子量增大，在氣體分離膜應(yīng)用過程中有利于氣體的透過。的各種性質(zhì)，包括立體效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生。
#02
高分子鏈段
構(gòu)成高分子分離膜材料的單體和鏈段的結(jié)構(gòu)，對聚合物的結(jié)晶性、溶解性、溶脹性等性質(zhì)起主要作用，也在一定程度上影響分離膜的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。對于均聚物，單位的結(jié)構(gòu)最重要，其次包括聚合度、分子量、分子量分布、分支度、交聯(lián)度等。對共聚物鏈段結(jié)構(gòu),如嵌段共聚、無規(guī)共聚、接枝共聚等因素直接影響分離膜的各種性質(zhì)，包括立體效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生。
#03
高分子立體構(gòu)象
聚合物分子的微觀結(jié)構(gòu)，多與分子間的作用力相關(guān)，如范德華力、氫鍵力、靜電力。這直接影響膜制備的粘度、溶解度，也與成膜后的力學(xué)性能和選擇性密切關(guān)系。聚合物分子間作用力的增加則傾向于形成結(jié)晶度高的分離膜。
#04
聚集態(tài)和超分子
聚合物高分子的排列方式和結(jié)晶度，以及晶胞的尺寸、膜的孔徑和分布等因素，與膜材料的使用范圍、透過性能、選擇性等密切相關(guān)。高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)與分離膜的制備條件和方法以及后處理工藝等更是相互聯(lián)系。
05
高分子分離膜的應(yīng)用與展望
高分子分離膜廣泛應(yīng)用于海水淡化、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、藥物的緩釋等方面。
圖為人工腎血液透析器結(jié)構(gòu)示意圖
圖為氧化石墨烯/聚乙烯醇復(fù)合纖維膜（Go/PVA EFMs），用來進(jìn)行海水淡化
隨著膜分離技術(shù)的不斷發(fā)展, 如新型膜材質(zhì)的開發(fā) 、膜分離不同操作工藝的優(yōu)化和組合等, 膜分離技術(shù)將會(huì)在化學(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行業(yè)得到更成功的工業(yè)化應(yīng)用 。
但是目前膜材料的研究主要集中在已開發(fā)的功能高分子膜材料和無機(jī)膜材料，而適于制備分離膜的高分子材料有限，而且這些材料制成的分離膜的性能又各有其長處和不足。隨著石油等不可再生資源出現(xiàn)緊缺，有機(jī)高分子原料的來源受到威脅，開發(fā)、利用廉價(jià)易得的天然有機(jī)高分子可再生資源，對分離膜日益增長的需求尤為重要。
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