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膜科學與技術 版權信息
- ISBN：9787030728548
- 條形碼：9787030728548 ; 978-7-03-072854-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
膜科學與技術 內容簡介
本書共13章，以膜過程為主線，對各種主要膜過程所涉及的過程機理、膜材料種類和結構、膜制備方法和膜結構調控、膜組件種類和結構、膜過程設計及應用等進行了較為系統和全面的介紹。本書描述的膜過程面向分離純化、化學反應、能量轉化、控制釋放、探測傳感等眾多領域，反映出膜科學與技術數十年來的重要發展。本書還結合目前膜科學與技術的研究現狀與應用需求，對各種膜與膜過程存在的問題及發展前景進行了總結與展望。
膜科學與技術 目錄
目錄
前言
第1章 概述 1
1.1 膜科學與技術發展歷程 1
1.2 膜與膜過程 2
1.2.1 膜 2
1.2.2 膜過程 2
1.3 膜材料 3
1.3.1 無機膜材料 3
1.3.2 有機膜材料 5
1.3.3 混合基質膜材料 8
1.3.4 膜材料改性及新材料研發 8
1.4 膜結構 10
1.4.1 形態結構 10
1.4.2 結晶態和分子態結構 10
1.5 膜制備與膜改性 10
1.5.1 膜制備方法 10
1.5.2 膜改性方法 13
1.6 膜性能 14
1.6.1 滲透選擇性能 14
1.6.2 耐污染性能 14
1.6.3 物理化學穩定性能 15
1.7 膜技術的應用 15
1.7.1 水處理領域 15
1.7.2 化工能源領域 17
1.7.3 生物醫藥領域 18
習題 19
參考文獻 19
第2章 微濾 22
2.1 微濾過程特性 22
2.1.1 過程原理及特點 22
2.1.2 分離機理 22
2.1.3 操作模式 22
2.1.4 膜通量模型 23
2.1.5 膜結構表征手段 25
2.1.6 膜性能及評價 27
2.2 微濾膜材料及膜制備 28
2.2.1 膜材料 28
2.2.2 膜制備 29
2.3 微濾膜組件及裝置 37
2.3.1 工業用大型膜組件 37
2.3.2 小型膜組件 40
2.3.3 微濾裝置 40
2.4 微濾膜污染及控制 41
2.4.1 膜污染機理 41
2.4.2 膜污染控制策略 42
2.5 微濾性能強化措施 43
2.5.1 膜材料改性及膜改性 43
2.5.2 膜組件結構優化 43
2.5.3 操作條件優化 44
2.6 微濾技術應用 45
2.6.1 實驗室應用 46
2.6.2 制藥工業 46
2.6.3 電子工業 47
2.6.4 飲用水生產 48
2.6.5 污水處理 48
2.7 微濾技術存在的問題及發展前景 49
習題 51
參考文獻 51
第3章 超濾 54
3.1 超濾過程特性 54
3.1.1 過程原理及特點 54
3.1.2 分離機理及膜通量模型 54
3.1.3 濃差極化 55
3.1.4 滲透壓傳質模型 56
3.1.5 膜結構及表征 57
3.1.6 膜性能及評價 57
3.2 超濾膜材料及膜制備 59
3.2.1 膜材料 59
3.2.2 有機膜制備 60
3.2.3 無機膜制備 61
3.3 超濾膜污染及控制 62
3.3.1 膜污染機理 62
3.3.2 膜污染控制策略 63
3.4 超濾膜組件及過程設計 65
3.4.1 膜組件 65
3.4.2 一級一段流程 66
3.4.3 一級多段流程 66
3.4.4 多級流程 66
3.5 超濾性能強化措施 67
3.5.1 膜材料改性及膜改性 67
3.5.2 膜組件結構優化 68
3.5.3 操作條件優化 69
3.6 超濾技術應用 70
3.6.1 藥物分離 70
3.6.2 飲用水處理 70
3.6.3 生活污水和工業廢水處理 71
3.6.4 食品工業 72
3.7 超濾技術存在的問題及發展前景 72
習題 72
參考文獻 73
第4章 納濾 75
4.1 納濾膜特點及發展歷程 75
4.2 納濾分離機理及模型 76
4.2.1 中性溶質體系 77
4.2.2 電解質體系 79
4.3 納濾膜材料及膜制備 83
4.3.1 有機膜材料 83
4.3.2 無機膜材料 86
4.3.3 無機-有機雜化類材料 86
4.3.4 膜制備 86
4.4 納濾過程濃差極化與膜污染 89
4.4.1 濃差極化 89
4.4.2 膜污染機理和種類 89
4.4.3 膜污染控制策略 91
4.5 納濾技術應用 92
4.5.1 粗染料純化 92
4.5.2 高鹽廢水分鹽 92
4.5.3 飲用水處理 93
4.5.4 污水深度處理與回用 94
4.5.5 活性藥物成分濃縮 95
4.6 納濾技術存在的問題及發展前景 96
習題 96
參考文獻 97
第5章 反滲透 100
5.1 反滲透過程特性 100
5.1.1 過程原理及特點 100
5.1.2 分離機理及模型 101
5.1.3 膜結構及表征 104
5.1.4 膜性能及評價 105
5.2 反滲透膜材料及膜制備 108
5.2.1 膜材料 108
5.2.2 膜制備及裝置 110
5.3 反滲透膜污染及控制 114
5.3.1 膜污染機理 114
5.3.2 膜污染防治措施 114
5.4 反滲透膜組件及裝置 115
5.4.1 螺旋卷式膜組件 115
5.4.2 中空纖維式膜組件 116
5.4.3 碟管式膜組件 116
5.4.4 管式膜組件 116
5.4.5 膜裝置配套設備 117
5.5 反滲透性能強化措施 118
5.5.1 膜材料改性及膜改性 118
5.5.2 膜組件結構優化 118
5.5.3 操作條件優化 119
5.6 反滲透膜過程設計 120
5.6.1 膜過程設計原則 120
5.6.2 膜過程設計步驟 121
5.6.3 膜過程設計方程與參數 123
5.7 反滲透技術應用 127
5.7.1 鹽水(海水、苦咸水)淡化 127
5.7.2 工業廢水與生活廢水處理 128
5.7.3 鍋爐補給水制備 129
5.7.4 超純水制備 130
5.7.5 食品工業 130
5.7.6 醫藥衛生 130
5.7.7 艦船凈水 131
5.7.8 家用凈水 131
5.8 反滲透技術存在的問題及發展前景 131
習題 132
參考文獻 133
第6章 正滲透 136
6.1 正滲透發展歷程 136
6.2 正滲透過程原理及特點 136
6.2.1 過程原理 136
6.2.2 外濃差極化 138
6.2.3 內濃差極化 138
6.2.4 膜污染 140
6.3 正滲透膜結構及性能 140
6.3.1 膜結構參數 140
6.3.2 膜性能參數與測定 141
6.4 正滲透汲取液 141
6.4.1 無機汲取液 142
6.4.2 有機汲取液 142
6.4.3 揮發性汲取液 143
6.4.4 磁性汲取液 143
6.4.5 水凝膠 143
6.5 正滲透膜材料及膜制備方法 143
6.5.1 醋酸纖維素正滲透膜 144
6.5.2 聚酰胺薄層復合正滲透膜 144
6.5.3 聚苯并咪唑正滲透膜 145
6.5.4 其他正滲透膜材料 145
6.6 正滲透膜組件 145
6.6.1 板框式膜組件 146
6.6.2 卷式膜組件 146
6.6.3 管式膜組件 146
6.6.4 中空纖維式膜組件 146
6.6.5 正滲透水袋 146
6.7 正滲透膜過程的應用 147
6.7.1 淡化 147
6.7.2 濃縮 147
6.7.3 正滲透膜生物反應器 148
6.7.4 能源 148
6.8 正滲透技術存在的問題及發展前景 148
習題 148
參考文獻 149
第7章 氣體分離 151
7.1 氣體分離膜發展歷程 151
7.2 氣體分離膜過程原理及特點 151
7.2.1 多孔膜分離機理 152
7.2.2 非多孔膜分離機理 155
7.3 氣體分離膜結構及性能 159
7.3.1 膜結構及表征 159
7.3.2 膜性能評價 160
7.4 氣體分離膜材料及膜制備 161
7.4.1 致密膜材料 162
7.4.2 多孔膜材料 163
7.4.3 混合基質膜材料 165
7.4.4 離子液體 166
7.4.5 膜制備工藝 167
7.5 氣體分離膜組件及工業裝置 168
7.5.1 膜組件 168
7.5.2 工業裝置 169
7.6 氣體分離膜污染和濃差極化 170
7.6.1 膜污染 170
7.6.2 濃差極化現象 170
7.6.3 濃差極化控制 172
7.7 氣體分離膜過程設計 172
7.7.1 過程設計基礎 172
7.7.2 一級一段過程 174
7.7.3 二級或二段過程 178
7.7.4 三級或三段過程 179
7.8 氣體分離膜過程性能強化措施 179
7.8.1 膜材料改性及膜改性 179
7.8.2 操作條件優化 179
7.9 氣體分離膜技術應用 181
7.9.1 空氣富集氧或富集氮 181
7.9.2 天然氣/沼氣純化 182
7.9.3 氫氣富集 183
7.9.4 天然氣富集氦氣 183
7.9.5 揮發性有機化合物脫除與回收 184
7.9.6 煙道氣二氧化碳捕集 184
7.10 氣體分離膜技術存在的問題及發展前景 184
習題 186
參考文獻 186
第8章 滲透蒸發 190
8.1 滲透蒸發發展歷程及技術特點 190
8.2 滲透蒸發過程原理及傳質模型 191
8.2.1 過程原理 191
8.2.2 傳質機理及模型 192
8.3 滲透蒸發過程評價指標 194
8.4 滲透蒸發膜分類 196
8.4.1 優先透水膜 196
8.4.2 優先透有機物膜 197
8.4.3 有機物分離膜 197
8.4.4 無機膜 198
8.5 滲透蒸發膜制備 199
8.5.1 高分子復合膜制備 199
8.5.2 無機膜制備 200
8.6 滲透蒸發膜組件及過程設計 201
8.6.1 滲透蒸發膜組件 201
8.6.2 操作模式及基本工藝流程 202
8.6.3 操作條件與膜組件排布 203
8.7 滲透蒸發技術應用 205
8.7.1 有機溶劑脫水 206
8.7.2 有機混合物的分離 207
8.7.3 水中有機物脫除或回收 208
8.7.4 催化裂化汽油脫硫 208
8.7.5 滲透蒸發耦合分離技術 209
8.8 滲透蒸發技術存在的問題及發展前景 210
習題 210
參考文獻 211
第9章 膜蒸餾 212
9.1 膜蒸餾發展歷程 212
9.2 膜蒸餾過程原理與特點 213
9.2.1 過程原理 213
9.2.2 技術優勢 214
9.2.3 操作類型 214
9.3 膜組件形式 216
9.4 膜蒸餾的熱質傳遞機理 217
9.4.1 過程總熱質傳遞 217
9.4.2 膜孔中熱質傳遞
前言
第1章 概述 1
1.1 膜科學與技術發展歷程 1
1.2 膜與膜過程 2
1.2.1 膜 2
1.2.2 膜過程 2
1.3 膜材料 3
1.3.1 無機膜材料 3
1.3.2 有機膜材料 5
1.3.3 混合基質膜材料 8
1.3.4 膜材料改性及新材料研發 8
1.4 膜結構 10
1.4.1 形態結構 10
1.4.2 結晶態和分子態結構 10
1.5 膜制備與膜改性 10
1.5.1 膜制備方法 10
1.5.2 膜改性方法 13
1.6 膜性能 14
1.6.1 滲透選擇性能 14
1.6.2 耐污染性能 14
1.6.3 物理化學穩定性能 15
1.7 膜技術的應用 15
1.7.1 水處理領域 15
1.7.2 化工能源領域 17
1.7.3 生物醫藥領域 18
習題 19
參考文獻 19
第2章 微濾 22
2.1 微濾過程特性 22
2.1.1 過程原理及特點 22
2.1.2 分離機理 22
2.1.3 操作模式 22
2.1.4 膜通量模型 23
2.1.5 膜結構表征手段 25
2.1.6 膜性能及評價 27
2.2 微濾膜材料及膜制備 28
2.2.1 膜材料 28
2.2.2 膜制備 29
2.3 微濾膜組件及裝置 37
2.3.1 工業用大型膜組件 37
2.3.2 小型膜組件 40
2.3.3 微濾裝置 40
2.4 微濾膜污染及控制 41
2.4.1 膜污染機理 41
2.4.2 膜污染控制策略 42
2.5 微濾性能強化措施 43
2.5.1 膜材料改性及膜改性 43
2.5.2 膜組件結構優化 43
2.5.3 操作條件優化 44
2.6 微濾技術應用 45
2.6.1 實驗室應用 46
2.6.2 制藥工業 46
2.6.3 電子工業 47
2.6.4 飲用水生產 48
2.6.5 污水處理 48
2.7 微濾技術存在的問題及發展前景 49
習題 51
參考文獻 51
第3章 超濾 54
3.1 超濾過程特性 54
3.1.1 過程原理及特點 54
3.1.2 分離機理及膜通量模型 54
3.1.3 濃差極化 55
3.1.4 滲透壓傳質模型 56
3.1.5 膜結構及表征 57
3.1.6 膜性能及評價 57
3.2 超濾膜材料及膜制備 59
3.2.1 膜材料 59
3.2.2 有機膜制備 60
3.2.3 無機膜制備 61
3.3 超濾膜污染及控制 62
3.3.1 膜污染機理 62
3.3.2 膜污染控制策略 63
3.4 超濾膜組件及過程設計 65
3.4.1 膜組件 65
3.4.2 一級一段流程 66
3.4.3 一級多段流程 66
3.4.4 多級流程 66
3.5 超濾性能強化措施 67
3.5.1 膜材料改性及膜改性 67
3.5.2 膜組件結構優化 68
3.5.3 操作條件優化 69
3.6 超濾技術應用 70
3.6.1 藥物分離 70
3.6.2 飲用水處理 70
3.6.3 生活污水和工業廢水處理 71
3.6.4 食品工業 72
3.7 超濾技術存在的問題及發展前景 72
習題 72
參考文獻 73
第4章 納濾 75
4.1 納濾膜特點及發展歷程 75
4.2 納濾分離機理及模型 76
4.2.1 中性溶質體系 77
4.2.2 電解質體系 79
4.3 納濾膜材料及膜制備 83
4.3.1 有機膜材料 83
4.3.2 無機膜材料 86
4.3.3 無機-有機雜化類材料 86
4.3.4 膜制備 86
4.4 納濾過程濃差極化與膜污染 89
4.4.1 濃差極化 89
4.4.2 膜污染機理和種類 89
4.4.3 膜污染控制策略 91
4.5 納濾技術應用 92
4.5.1 粗染料純化 92
4.5.2 高鹽廢水分鹽 92
4.5.3 飲用水處理 93
4.5.4 污水深度處理與回用 94
4.5.5 活性藥物成分濃縮 95
4.6 納濾技術存在的問題及發展前景 96
習題 96
參考文獻 97
第5章 反滲透 100
5.1 反滲透過程特性 100
5.1.1 過程原理及特點 100
5.1.2 分離機理及模型 101
5.1.3 膜結構及表征 104
5.1.4 膜性能及評價 105
5.2 反滲透膜材料及膜制備 108
5.2.1 膜材料 108
5.2.2 膜制備及裝置 110
5.3 反滲透膜污染及控制 114
5.3.1 膜污染機理 114
5.3.2 膜污染防治措施 114
5.4 反滲透膜組件及裝置 115
5.4.1 螺旋卷式膜組件 115
5.4.2 中空纖維式膜組件 116
5.4.3 碟管式膜組件 116
5.4.4 管式膜組件 116
5.4.5 膜裝置配套設備 117
5.5 反滲透性能強化措施 118
5.5.1 膜材料改性及膜改性 118
5.5.2 膜組件結構優化 118
5.5.3 操作條件優化 119
5.6 反滲透膜過程設計 120
5.6.1 膜過程設計原則 120
5.6.2 膜過程設計步驟 121
5.6.3 膜過程設計方程與參數 123
5.7 反滲透技術應用 127
5.7.1 鹽水(海水、苦咸水)淡化 127
5.7.2 工業廢水與生活廢水處理 128
5.7.3 鍋爐補給水制備 129
5.7.4 超純水制備 130
5.7.5 食品工業 130
5.7.6 醫藥衛生 130
5.7.7 艦船凈水 131
5.7.8 家用凈水 131
5.8 反滲透技術存在的問題及發展前景 131
習題 132
參考文獻 133
第6章 正滲透 136
6.1 正滲透發展歷程 136
6.2 正滲透過程原理及特點 136
6.2.1 過程原理 136
6.2.2 外濃差極化 138
6.2.3 內濃差極化 138
6.2.4 膜污染 140
6.3 正滲透膜結構及性能 140
6.3.1 膜結構參數 140
6.3.2 膜性能參數與測定 141
6.4 正滲透汲取液 141
6.4.1 無機汲取液 142
6.4.2 有機汲取液 142
6.4.3 揮發性汲取液 143
6.4.4 磁性汲取液 143
6.4.5 水凝膠 143
6.5 正滲透膜材料及膜制備方法 143
6.5.1 醋酸纖維素正滲透膜 144
6.5.2 聚酰胺薄層復合正滲透膜 144
6.5.3 聚苯并咪唑正滲透膜 145
6.5.4 其他正滲透膜材料 145
6.6 正滲透膜組件 145
6.6.1 板框式膜組件 146
6.6.2 卷式膜組件 146
6.6.3 管式膜組件 146
6.6.4 中空纖維式膜組件 146
6.6.5 正滲透水袋 146
6.7 正滲透膜過程的應用 147
6.7.1 淡化 147
6.7.2 濃縮 147
6.7.3 正滲透膜生物反應器 148
6.7.4 能源 148
6.8 正滲透技術存在的問題及發展前景 148
習題 148
參考文獻 149
第7章 氣體分離 151
7.1 氣體分離膜發展歷程 151
7.2 氣體分離膜過程原理及特點 151
7.2.1 多孔膜分離機理 152
7.2.2 非多孔膜分離機理 155
7.3 氣體分離膜結構及性能 159
7.3.1 膜結構及表征 159
7.3.2 膜性能評價 160
7.4 氣體分離膜材料及膜制備 161
7.4.1 致密膜材料 162
7.4.2 多孔膜材料 163
7.4.3 混合基質膜材料 165
7.4.4 離子液體 166
7.4.5 膜制備工藝 167
7.5 氣體分離膜組件及工業裝置 168
7.5.1 膜組件 168
7.5.2 工業裝置 169
7.6 氣體分離膜污染和濃差極化 170
7.6.1 膜污染 170
7.6.2 濃差極化現象 170
7.6.3 濃差極化控制 172
7.7 氣體分離膜過程設計 172
7.7.1 過程設計基礎 172
7.7.2 一級一段過程 174
7.7.3 二級或二段過程 178
7.7.4 三級或三段過程 179
7.8 氣體分離膜過程性能強化措施 179
7.8.1 膜材料改性及膜改性 179
7.8.2 操作條件優化 179
7.9 氣體分離膜技術應用 181
7.9.1 空氣富集氧或富集氮 181
7.9.2 天然氣/沼氣純化 182
7.9.3 氫氣富集 183
7.9.4 天然氣富集氦氣 183
7.9.5 揮發性有機化合物脫除與回收 184
7.9.6 煙道氣二氧化碳捕集 184
7.10 氣體分離膜技術存在的問題及發展前景 184
習題 186
參考文獻 186
第8章 滲透蒸發 190
8.1 滲透蒸發發展歷程及技術特點 190
8.2 滲透蒸發過程原理及傳質模型 191
8.2.1 過程原理 191
8.2.2 傳質機理及模型 192
8.3 滲透蒸發過程評價指標 194
8.4 滲透蒸發膜分類 196
8.4.1 優先透水膜 196
8.4.2 優先透有機物膜 197
8.4.3 有機物分離膜 197
8.4.4 無機膜 198
8.5 滲透蒸發膜制備 199
8.5.1 高分子復合膜制備 199
8.5.2 無機膜制備 200
8.6 滲透蒸發膜組件及過程設計 201
8.6.1 滲透蒸發膜組件 201
8.6.2 操作模式及基本工藝流程 202
8.6.3 操作條件與膜組件排布 203
8.7 滲透蒸發技術應用 205
8.7.1 有機溶劑脫水 206
8.7.2 有機混合物的分離 207
8.7.3 水中有機物脫除或回收 208
8.7.4 催化裂化汽油脫硫 208
8.7.5 滲透蒸發耦合分離技術 209
8.8 滲透蒸發技術存在的問題及發展前景 210
習題 210
參考文獻 211
第9章 膜蒸餾 212
9.1 膜蒸餾發展歷程 212
9.2 膜蒸餾過程原理與特點 213
9.2.1 過程原理 213
9.2.2 技術優勢 214
9.2.3 操作類型 214
9.3 膜組件形式 216
9.4 膜蒸餾的熱質傳遞機理 217
9.4.1 過程總熱質傳遞 217
9.4.2 膜孔中熱質傳遞
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膜科學與技術 節選
第1章 概述 1.1 膜科學與技術發展歷程 隨著科技發展與社會進步，人們對分離技術的要求逐漸提高。特別是進入21世紀以來，各類純凈水制造、海水淡化、污水處理、氣體分離富集、共沸物分離、食品加工、藥物緩釋、人工臟器等研究應用熱點都離不開高水平的分離技術。與一些傳統分離技術相比，膜分離技術耗能較低，過程簡單，選擇性高，可調控范圍大，被譽為“化學工業的明天”。 對膜科學與技術的研究可追溯到270多年前[1]。1748年，Nollet發現水能自然地擴散到裝有乙醇或蔗糖溶液的豬膀胱內，**次揭示了膜分離現象。1861年，Schmidt發現用牛心包膜能截留可溶性阿拉伯膠，并首次提出“超過濾”的概念。1864年，Traube成功地研制出亞鐵氰化銅膜——人類歷史上**片人造膜。1866年，Graham在一篇名為《氣體通過膠質隔膜的吸收和滲析分離》的研究論文中，*早提出了氣體膜分離的擴散原理。 20世紀中葉，由于物理化學、高分子化學、生物學、醫學和生理學的深入發展，新型膜材料和制膜技術不斷開拓，各種膜分離技術相繼出現并獲得高速發展。1961年，Michealis等用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質混合物，以水-丙酮-溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量溶質的膜，這種膜是真正意義上的分離膜，美國Amicon公司首先將這種膜商品化。20世紀50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。1967年，美國Du Pont公司成功研制了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥DDS公司成功研制了平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業化，在大規模生產高通量、無缺陷膜和緊湊高面積/體積比膜分離器上取得突破，開發了脫鹽反滲透過程。20世紀70～80年代，其他膜過程的研究和應用也取得了成功。 數十年來，膜技術發展迅速，其應用也突破傳統的分離與純化，拓展到化學反應、能量轉化、控制釋放、探測傳感等更廣泛的領域，相關基礎研究也越來越深入。特別是20世紀90年代以后，隨著多種類膜的研制成功，膜技術的應用已經滲透到人們生活和生產的各個方面，包括化工、環保、電子、輕工、紡織、石油、食品、醫藥、生物工程、能源工程等。國外有關專家甚至把膜技術的發展稱為“第三次工業革命”。尤其在能源緊張、資源短缺、生態環境惡化的今天，膜技術被認為是21世紀*有發展前途的高新技術之一[1-3]。 我國膜科學與技術的發展是從1958年研究離子交換膜開始的。20世紀60年代進入開創階段，1965年著手反滲透的探索，1967年開始的全國海水淡化會戰大大促進了我國膜科技的發展。70年代進入開發階段，這個時期微濾、電滲析、反滲透和超濾等各種膜和組器件都相繼研究開發出來。80年代跨入了推廣應用階段，同時是氣體分離膜和其他新膜的開發階段。90年代后進入高速發展及自主創新時期。根據中國膜工業協會發布的數據顯示，“十三五”以來，我國膜產業總產值的年均增速在15%左右，2019年我國膜產業總產值已達2773億元，較“十三五”初期(2016年)提升了71%[4]。 1.2 膜與膜過程 1.2.1 膜 膜(membrane)是指能限制和傳遞物質的分隔兩流體的屏障。膜可以是固態的，也可以是液態的。被膜分隔的流體物質可以是液態的，也可以是氣態的。膜與被分隔的兩側流體接觸并進行物質傳遞。膜對流體可以是完全透過性的，也可以是半透過性的，但不能是完全不透過性的。經常用到的膜是半透過性的，也稱為選擇透過性膜。利用膜的技術稱為膜技術。 膜技術主要依靠推動力和膜，其中膜是核心。好膜的衡量標準如下：高的分離系數和滲透系數，同時要求有足夠的機械強度和柔韌性；適用的pH和溫度范圍廣；較強的抗物理、化學和微生物侵蝕的性能；耐高溫滅菌，耐酸堿清洗劑，穩定性高，使用壽命長；通過清洗，恢復透過性能好；制備方便，成本合理，便于工業化生產。 膜的分類多種多樣：按膜材料可分為天然材料膜(包括生物膜和天然物質改性或再生而制成的膜)、合成材料膜(包括無機膜、有機膜及無機-有機雜化膜)；按膜斷面的形態可分為對稱膜、不對稱膜、復合膜；按膜總體形狀可分為平板膜、管式膜(內徑> 10?mm)、毛細管膜(內徑0.5～10?mm)、中空纖維膜(內徑< 0.5?mm)；按功能可分為分離功能膜、反應功能膜、能量轉化功能膜、控制釋放功能膜、探測傳感功能膜等。 1.2.2 膜過程 膜參與的過程統稱為膜過程。膜過程在物理、化學和生物性質上可呈現出各種各樣的特性，具有較多的優勢，如效率高、能耗低、操作環境溫和、連續化操作、靈活性強、綠色環保等。 膜過程的實質是在推動力作用下被膜隔開的流體間通過膜進行的物質及能量的傳遞過程。因此，膜過程的三要素是膜、流體和推動力。根據三要素的不同將膜過程分為不同種類。典型的膜過程有微濾(microfiltration，MF)、超濾(ultrafiltration，UF)、納濾(nanofiltration，NF)、反滲透(reverse osmosis，RO)、正滲透(forward osmosis，FO)、滲析(dialysis)、電滲析(electrodialysis，ED)、氣體分離(gas separation，GS)、膜蒸餾(membrane distillation，MD)、滲透蒸發(pervaporation，PV)等，其中以壓力差為推動力的過程有微濾、超濾、納濾、反滲透，以蒸氣分壓差為推動力的過程有膜蒸餾、滲透蒸發，以氣體組分分壓差為推動力的過程有氣體分離，以濃度差為推動力的過程有正滲透、滲析，以電勢差為推動力的過程有電滲析[2-3]。表1-1中列出部分膜過程的基本特征。 表1-1 部分膜過程及基本特征 至此，可以對膜科學與技術進行簡要定義。膜科學與技術是關于膜的合成、結構、功能和應用的科學與技術，各類膜與膜過程是其基本和核心內容。 1.3 膜材料 膜可由聚合物、金屬和陶瓷等材料制造，其中以聚合物居多。 1.3.1 無機膜材料 20世紀40年代開始了無機膜的研究，經歷了鈾同位素提取的工業時期、液相介質分離時期和以膜催化反應為核心的發展時期。無機膜材料不僅在化學因素作用下仍能保持良好的特性，而且在溫度影響下其變形很小。無機膜目前主要在微濾和超濾領域得到應用，在其他領域的應用還比較少。常見的無機膜材料有陶瓷、金屬、合金、沸石(分子篩)、玻璃等?[10]，此外鈦鈣型材料對氧有很高的滲透通量，在無機膜反應器中具有很好的應用前景。 與有機膜材料相比，無機膜材料具有如下優點：①化學穩定性好，能耐酸、耐堿、耐有機溶劑；②機械強度大，承載無機膜或金屬膜可承受幾十個大氣壓的外壓，并可反向沖洗；③抗微生物能力強，不與微生物發生作用，可以在生物工程及醫學科學領域中應用；④耐高溫，一般均可以在400?℃下操作，*高可達800?℃。 1. 陶瓷 多孔陶瓷如硅酸鋁質、碳化硅質、氧化硅質、氧化鈷質、氧化鋁質等是目前開發應用的陶瓷膜的主要材料。陶瓷膜以多孔陶瓷為基體、表層覆以微孔陶瓷而制成，依據篩分作用進行物質的分離。陶瓷膜的主要制備技術有：采用固態粒子燒結法制備載體及微濾膜，采用溶膠-凝膠法制備超濾、納濾和氣體分離膜[2，11-13]。其基本理論涉及膠體與表面化學、材料化學、固態離子學、材料加工等。 2. 金屬 金屬膜是以如Pd、Ag等金屬材料為介質而制成的具有過濾功能的滲透膜，具有良好的塑性、韌性和強度，以及對環境和物料的適應性，是繼有機膜、陶瓷膜之后性能*好的膜之一。金屬膜包括致密膜和多孔膜。致密金屬膜的傳質機理是溶解擴散或離子傳遞。例如，Pd、Pd與ⅥB～Ⅷ族金屬制成的合金以及V、Nb、Ta等ⅤB族金屬元素能夠選擇性透過某種氣體[2]，因此對某種氣體具有較高的選擇性是致密金屬膜的突出特點，但滲透率低是其缺點之一。多孔金屬材料制備的多孔金屬膜包括Ni膜、Ag膜、Ti膜和不銹鋼膜，孔徑200～500 nm、孔隙率高達60%。多孔金屬膜既具有分離功能，也具有催化功能，但是其使用成本較高，在工程應用方面受到一定的限制。 3. 沸石 沸石膜又稱分子篩膜，除具有一般無機膜所擁有的特性外，還具有特殊孔道結構及可變性特點。它不僅直徑大小均勻，而且能夠進行陽離子交換，且硅鋁比例可調，在不同的pH下具有不同親、疏水性和孔徑可調等特點，因此在分子級催化反應中是不可多得的優良多孔材料。沸石膜已經成為微孔無機膜材料的重要發展方向之一。分子篩膜是理想的膜分離和膜催化材料。主要類型有X型分子篩、Y型分子篩膜，ZSM-5(zeolite socony mobil-5)、磷酸硅鋁-34(SAPO-34)分子篩膜，硅分子篩膜等。 4. 玻璃 玻璃膜主要是由玻璃(Na2O-SiOx)經化學處理制成的具有分離功能的滲透膜。它是多孔膜的一種，屬于無機多孔膜，其中孔徑大于50 nm的為粗孔膜，孔徑2～50 nm的為過渡孔膜，孔徑小于2 nm的為微孔膜。目前主要研究的玻璃膜有3種：酸瀝法制備的多孔玻璃膜；用無機物或有機物進行表面改性的玻璃膜；以多孔玻璃、陶瓷、金屬為基體，利用溶膠-凝膠等工藝將另一種非晶態膜涂在基體表面的復合膜。 無機膜具有耐pH范圍廣、熱穩定性好等優點，但也存在制備難度大、易碎、應用范圍偏窄等缺點。因此未來研究方向主要有：進一步完善已商品化的無機微濾膜和超濾膜，發展具有分子篩功能的納濾膜和氣體分離膜，并對有機-無機組合材料、支撐體材料、高滲透選擇性膜材料、耐強酸堿膜材料、高通量的致密無機膜材料及其材料結構與性能之間的關系進行深入的研究。 1.3.2 有機膜材料 對有機膜的研究始于18世紀中葉，經過近200年的發展，國外于1965～1975年間大力研究并廣泛應用；國內于20世紀70年代才開始對有機膜進行研究，雖起步晚但發展比較迅猛。20世紀80年代中期，由聚砜制成的中空纖維膜獲得試制成功后，一批耐較高溫度、耐腐蝕、抗污染能力強、截留性能優的膜和組件被先后研制并獲得工業應用。 1. 天然高分子類 對天然高分子類膜材料的研究主要集中在纖維素、纖維素衍生物、殼聚糖等[14-15]。纖維素是自然界中分布*廣、含量*多的一種多糖，占植物界碳含量的50%以上。纖維素結構如圖1-1(a)所示，在椅形葡萄糖單元的高分子鏈中含有3個羥基。由于羥基的存在，纖維素分子間形成氫鍵，排列規則，結晶度高，結構穩定，高度親水。因此，其衍生物制成的分離膜選擇性高、親水性強、透水量大，在微濾和超濾技術中被廣泛使用。醋酸纖維素(cellulose acetate，CA)是由纖維素與醋酸酐發生酯化反應得到的高分子材料，該材料具有選擇性高、透過量大、加工簡單、耐氯性好、低污染傾向等優點，在生產生活中發揮了極大的作用。醋酸纖維素的結構如圖1-1(b)所示。但醋酸纖維素也存在缺點：分子鏈中的酯基在非中性條件下易水解，且其熱穩定性、耐壓密性較差。針對其水解性，研究發現，三醋酸纖維素(tri-cellulose acetate，TCA)的耐酸性比二醋酸纖維素好。另外，采用不同取代度的醋酸纖維素制膜，可以顯著提高膜的生物降解性。 圖1-1 纖維素(a)和醋酸纖維素(b)的化學結構 殼聚糖(chitosan，CS)又稱脫乙酰甲殼質，是由自然界廣泛存在的甲殼素經過脫乙酰作用得到的。圖1-2為甲殼素和殼聚糖的化學結構。自1859年，法國人Rouget首先得到殼聚糖后，這種天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等優良性能就被各行各業廣泛關注，在醫藥、食品、化工、化妝品、水處理、金屬 圖1-2 甲殼素(a)和殼聚糖(b)的化學結構 提取及回收、生化和生物醫學工程等諸多領域的應用研究取得了
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