第六章膜分离
第二节 膜材料及其特
膜材料
纤维素衍生物
醋酸纤维素：由纤维素和醋酸反应制得。是反渗
（CA）
透膜、微滤和超滤的膜材料。
优点：价格便宜，膜的分离和透过性能良好；
缺点：pH使用范围窄（pH=4~8），容易被微生
物分解以及在高压操作下时间长了容易产
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纳米过滤的分离机理
纳滤膜不仅具有依靠筛分作用进行分离，也 显示有建立在离子电荷密度基础上的选择性，因 为膜的离子选择性，对于含有不同自由离子的溶 液，透过膜的离子分布是不相同的(透过率随离 子浓度的变化而变化)，这就是Donnan效应。
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Donnan平衡模型
对于荷电膜脱盐，多用Donnan平衡模型来解释。
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聚砜类
是一类具有高机械强度的工程塑料。是目前 最重要、生产量最大的高分子聚合膜。 用途：超滤和微滤的膜材料，多种商品复合膜的
支撑层膜材料。 优点：耐酸、耐碱 缺点：耐有机溶剂的性能差。
聚砜类材料可以通过化学反应，制成带有负电荷或 正电荷的膜材料或膜。荷电聚砜可以直接用作反渗透膜 材料。用它制成的荷电超滤膜抗污染性能特别好。经磺 化的聚砜醚（SPES-C）可用于制造均相离子交换膜。
纳米膜过滤
是介于反渗透与超滤之间的液相膜处理新技 术。其特点为： （1）能截留小分子的有机物并可同时透析除
盐，集浓缩透析为一体； （2）操作压力远比反渗透低，具有节约动力的
优点。
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纳滤膜的性质与特点
大多数的纳滤膜是由多层聚合物薄膜组成。 活性层通常带荷负电化学基团。一般认为纳滤膜 是多孔性的，其平均孔径为2nm。作为一般规律， 通常分子量截留范围为100一200道尔顿，纳滤膜 具有良好的热稳定性，pH稳定性和有机溶剂的稳 定性。
k ln
(cm (cb
cp ) cp )
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当凝胶层稳定时， cm cg
Jv
k
ln
(cg (cb
cp ) c p )
如果溶质分子在膜上完全被截留，则上式可简化 为：
Jv
k ln
cg cb
cg cb
exp( Jv
/ k)
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cm / cb 或 cg / cb 被成为极化膜数。
（1）浓差极化 （2）膜污染
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浓差极化
在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过 膜，溶质被截留，于是在膜表面与邻近膜面区 域浓度越来越高。在浓度梯度作用下，溶质由 膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻 力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量 下降。溶剂向膜面流动(对流)引起溶质向膜面 流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使 溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面 附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称 为浓度极化边界层，这一现象称为浓差极化。
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膜分离过程中的质量传递问题
过滤模型（1）
在微滤、超滤等高孔率膜的过滤过程中，水 在 膜 中 的 流 动 一 般 是 层 流 ， 可 应 用 Hagen-
poiseuille公式，其过滤流速可表示如下：
Jv
r 2p 8l
H2O
水相
Na+(x) P-(x)
Na+(C0) Cl-(C0)
膜相 平衡前
溶液相
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Na+(C1+) Cl-(C1-)
Na+(C2+) Na+(C0 - C3+)
P-(x)
Cl-(C0 - C3- )
Cl(C2-)
水相
膜相
溶液相
平衡后
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当系统达到平衡时，膜相、水相、溶液相的离子 的化学电位应该达到平衡态。虽然，利用Donna 平衡理论来说明荷电膜的脱盐机理有所依据，而 对于在压力下透过膜的机理，还不能从膜、进料 及传质过程等多方面来定量描述。
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其中：JV—过滤流率
-- 多孔率
-- 溶液黏度
-- 扩散曲折率，为实际毛细管长度和膜厚之比
l -- 有效膜厚
p pT
pT p1 p2
1 2
此公式成立的条件是流体为牛顿、不可压缩流体， 层流流动，流速与时间无关，忽略边界效应。
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过滤模型2
和化工原理中过滤操作一样，透过膜的通量
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聚酰胺类及杂环含氮高聚物
类型：芳香聚酰胺（APA）、芳香聚酰胺-酰肼 （APAH）、聚苯砜酰胺（APSA）、聚苯并咪唑 （PBI）、聚苯并咪唑酮（PBIL）
用途：反渗透膜材料，目前最好的反渗透复合膜 超薄皮层都是芳香含氮化合物，脱盐率可 达99.99%.
优点：分离透过性能好、耐高压。 缺点：耐氯性能差。
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乙烯类高聚物
聚丙烯腈（PAN）： 是仅次于聚砜和醋酸纤维的超滤和微滤膜材
料，也用来作为渗透汽化复合膜的支撑体。
聚乙烯醇（PVA）： 是目前唯一获得应用的渗透汽化膜，由聚乙
烯醇与聚丙烯腈制成的渗透汽化复合膜的透量远 远大于聚乙烯醇与聚砜支撑体制成的复合膜。
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膜组件
目前常用的膜组件分为以下三种形式： 平板式 螺旋卷式 中空纤维式
J
（ms-1）可表示为：
v
Jv
p
Rm
其中，Rm为纯粹由膜产生的阻力 此公式适用于新膜， Rm以水进行试验求得。 由于过滤过程中，溶质会吸附在膜上，或形
成浓差极化层，也会形成阻力，所以有
R Rm Rs
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膜过程的浓差极化和膜污染
目前，膜在使用过程中存在的一个突出问题是， 膜的透过量随运行时间延长而降低，其影响因素 有：
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浓差极化
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取膜面上一单元薄层 dx，对此单元薄层作
物料衡算。当达到稳态时，溶质因对流进入单元 薄层的速度等于透过膜的速度和反扩散之和。
dc J V cp Jvc D dx
边界条件为 c cb , x 0
c cm, x
将这一方程沿边界层进行积分
kD
Jv
生压密，引起透量下降。
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硝酸纤维素：由纤维素和硝酸反应制得。价格便
（CN）
宜，广泛用作透析膜和微滤膜材料。
为了增加膜的强度，一般与醋酸纤
维素混合使用。
再生纤维素：纤维素溶于某些溶剂如铜氨溶液并
在溶解过程中发生降解，在成膜过
程中又回复到纤维素的结构，称为
再生纤维素。
广泛用于人工肾透析膜材料和微滤、超滤膜材料。