高分子分离膜的应用及发展综述

高分子分离膜的应用及发展综述

江苏技术师范学院 化学与环境工程学院 09应化2Z

摘要：高分子分离膜是用高分子材料制成的，具有选择性透过功能的半透性薄膜。本文介绍高分子分离膜的主要材料、分类以及高分子分离膜在日常生活中的广泛应用，并且论述了高分子分离膜的发展历程以及发展前景等。 关键词：高分子 离子膜

高分子分离膜概述

高分子分离膜（polymeric membrane for separation），是由聚合物或高分子复合材料制得的具有分离流体混合物功能的薄膜。膜分离过程就是用分离膜作间隔层，在压力差、浓度差或电位差的推动力下，借流体混合物中各组分透过膜的速率不同，使之在膜的两侧分别富集，以达到分离、精制、浓缩及回收利用的目的 [7]。单位时间内流体通过膜的量（透过速度）、不同物质透过系数之比（分离系数）或对某种物质的截留率是衡量膜性能的重要指标。采用这样的半透性薄膜，以压力差、温度梯度、浓度梯度或电位差为动力，使气体混合物、液体混合物或有机物、无机物的溶液等分离技术相比，具有省能、高效和洁净等特点，因而被认为是支撑新技术革命的重大技术。

高分子分离膜主要材料及制备

最初用作分离膜的高分子材料是纤维素酯类材料。后来，又逐渐采用了具有各种不同特性的聚砜、聚苯醚、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚苯并咪唑、聚酰亚胺等。高分子共混物和嵌段、接枝共聚物也越来越多地被用于制分离膜，使其具有单一均聚物所没有的特性。

1. 二氧化碳回收膜：是日本工业技术化学研究所新发明的一种环境保护膜，它是用聚醚矾合成的一种琼脂凝胶状薄膜。这种高分子膜可以分离和回收工厂或火力发电厂排放的二氧化碳，其效率达到世界先进水平。

2. 废水净化膜：瑞典发明。它主要是依靠一个命名为“Antric”的废水处理系统。这种系统是塔状结构，当它作用于废水上时，可以使废水中的有机物去除，同时产生一种含硫气体。这种气体在经过清洁器净化，即可以分离出硫元素而废水页已变得澄清无毒。

3. 诊测癌患膜：日本医学家将蚕丝溶解、干燥成一种超纯丝素膜，附上与抗原反应的单克隆抗体后，即可用来诊断癌症。由于它可使抗体固化在素膜上，加入血液与过氧化酶的抗体后，通过用装有载电极的免疫传感器测定所释放的氧气的数量，即可诊断是否患癌症。

4. 除臭生化膜：可除去70%~90%的抓硫醇、硫化氢等恶臭。同时还可除去体臭及卫生间、厨房、饲养场和医院等场所的臭味。

5. 食品空气保鲜膜：可以保鲜食品。

6. 超铜电导膜：非常易于导电。

7. 无电阻耐蚀膜：耐腐蚀的一种高性能氛基阴离子交换膜，把氛基阳离子交换膜改变为具有阴离子型阴离子交换基极性开关的一种膜。可以用来制造各种高性能电池以及高温电渗析的隔膜等。

8. 其他高分子膜材料：亚稳态超导膜，超薄绝缘膜，节能增光膜等等。 制备高分子分离膜的方法有流延法、不良溶剂凝胶法、微粉烧结法、直接聚合法、表面涂覆法、控制拉伸法、辐射化学侵蚀法和中空纤维纺丝法等。 高分子分离膜分类

目前，高分子膜材料的种类繁多，而且分类方法也不相同：

1. 按膜的材料分

按置备膜的材料种类来分，可将高分子分离膜分为纤维树脂类和非纤维树脂类 [1]。

2. 按膜的分离原理及适用范围分

根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜[9]、超过滤膜、反渗透膜、纳过滤膜[10]、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜[8]等。

3. 按膜断面的物理形态分

根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为对称膜、不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜。

4. 按功能分类

按高分子膜的功能分类可分为离子膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）、能量转化功能膜（包括浓差量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能转化膜、导电膜）、生物功能膜（包括探感膜、生物反应器、医用膜）等。

下面介绍两类比较先进的高分子膜材料技术。

1. 膜分离技术

目前膜分离技术在许多方面得到了广泛应用 ，而且在某些方面还应用得比较成熟[12]。与传统分离方法（蒸发、萃取或离子交换等）相比，它是在常温下操作，最适宜对热敏性物质和生物活性物质进行分离与浓缩，因而在化工、轻工、电子、纺织、冶金、污水处理等领域得到广泛应用。在膜技术的发展中，膜材料的开发是极其重要的工作，而高分子材料在膜分离中占有重要地位，所以许多专家学者对高分子分离膜材料的制备、结构、改性及性能都进行了大量研究，而且取得了很多成果，改性及性能都进行了大量研究，而且取得了很多成果，在此对高分子材料制备膜及其改性的研究进展进行概述。

2. 气体膜分离法

气体膜分离法[5]是一项新型分离技术，已经在许多领域发挥了重大的作用。与传统分离方法如低温蒸馏法和深冷吸附法相比，它具有分离效率高、设备紧凑、占地面积小、能耗较低、操作简便、维修保易、投资较少等优点，因此显示出优良的应用前景。其中气体膜分离法在分离CO2/CH4的领域。

高分子分离膜的应用

1. 气体膜分离法的应用

（1）石油采集中由于压力不断下降，为了提高出率，采取了注入惰性气（CO2）的强化采油技术（EOR）。[11]被采集的石油及烃类气体中含有大量的CO2，如果将其直接排放到大气中，必然会导致空气中CO2含量的快速增加，从而使全球变暖的环境问题加剧，因此CO2的分离和回收显得非常必要。

（2）天然气中含有大量的酸气（如CO2等）和水蒸气，去除其中的酸气可以提高天然气的热值，减少管道腐蚀。由于天然气一般都处于高压状态，采用膜分

离法可节省动力，因而吸引了许多研究者从事该过程的设计和评价，特别是膜技术与吸收法耦合工艺具有非常大的优势[4]。

（3）生物气一般含有50%～70%甲烷气，且来源于垃圾填平地带，如开发出来则会对减少化石燃料的使用有很大帮助。通过膜分离方法与吸收法综合效果的比较，膜分离法比吸收法可以回收更多的甲烷，投资也少，因而具有更大的优势。

2. 离子交换膜的应用

离子交换膜的离子交换能力和含水量极大地影响膜的性能。膜的离子交换能力和载体的浓度越大，膜的选择性和渗透率将越大[2]。含碱金属盐或胺化合物的液膜具有高的二氧化碳选择性，但是由于液膜不稳定。吸水膨胀的水凝胶膜能解决这一困难，却不损坏膜所具有的良好选择性。亲水性的吸水膨胀的离子交换膜能够有效地吸附水性载体溶液，因此表现出高的稳定性。

3. 复合导电透膜的应用

20世纪80年代末以来，基于导电聚合物的特殊微观形态和电化学性质，人们展开了将导电聚合物用作透膜的研究。复合导电透膜具有良好的力学性能和独特的电化学性质，能对外部环境的某些特定刺激产生响应，如通过对导电透膜加上电刺激，可以对其化学和物理性质进行原位操纵，从而实现对透膜透过性和选择性的控制。复合导电透膜的合成制备方法按氧化方式大致分为化学氧化聚合和电化学氧化聚合两类[6]。化学氧化聚合是基于某些导电聚合物单体可在氧化剂（如FeCl3、CuCl2）作用下氧化缩聚的原理，将单体或氧化剂预先浸渍到基体透膜材料上，然后再气相或液相下进行氧化聚合反应，以制得复合导电透膜。电化学氧化聚合是在电解过程中，电极和聚合物单体之间发生电子转移使聚合物单体聚合。电化学氧化聚合采用的基体透膜材料通常为多孔聚合物，按其采用工艺的不同还可进一步分为电化学一步法和电化学二步法两种。 电化学一步法是把聚合单体、支撑多孔聚合物一起溶解于电解液中，一次电解直接得到所需要的复合膜。 二步法通常预先把成膜性能良好的聚合物基膜覆盖在一个裸露的金属电极上，然后将这一电极作为工作电极放入含有单体的电解质溶液中，在电极上进行单体的电解聚合，制得复合膜。在导电透膜的制备中，电化学二步法是常用的方法 。

高分子分离膜的发展历程

高分子材料是材料领域中的新秀，它的出现带来了材料领域中的重大变革。目前高分子材料在尖端技术、国防建设和国民经济各个领域得到广泛的应用，已经成为现代社会生活中不可缺少的材料，也成为发展高新技术所需要的高新能结构材料、高功能材料以及满足各种特殊用途的专用材料。

自从20世纪20年代高分子科学建立以来，功能高分子就随之发展起来。至今已成为高分子科学中的一重要部分，新型高分子材料更是在材料科学领域中充满活力。例如特种高分子材料、分离功能高分子材料、高分子微球材料、导电高分子材料、光学性能高分子材料、医用高分子材料等等。这些新材料将成为高分子材料的希望。

膜技术则是当代高效分离新技术，与传统分离技术相比，它具有分离效率高、低耗能、占地面积小、过程简单、操作方便、不污染环境、便于与其他技术集成等非常突出的优点。在当今世界能源、水资源短缺，水和污染日益严重的情况下，膜分离科学得到了世界各国的重视，成为实现经济可持续发展的重要组成部分。世界著名化学与膜科学专家黎念之院士在访问我国时说：“谁掌握了膜技术，谁

就掌握了化工业的未来。”因此，膜技术的发展将有力地推动我国相关行业的发展。

高分子膜材料的发展前景

高分子膜材料技术是适应当代新产业发展的一项高技术，被公认为20 世纪末至21 世纪中期最有发展前途的高技术之一。目前已普遍用于污水处理、医药、农业、化工、电子、轻工、纺织、冶金、石油化工等领域。

自从上世纪20年代被发明以后，经过近一个世纪的发展，高分子膜材料家族已经拥有了数以百万计的成员，它们被广泛的应用在个各个领域，以其独具特色的方式给人类带来了便利。那么高分子膜材料在新的世纪有怎样的发展呢？各种各样的新型高分子膜材料告诉了我们答案。

各种各样的高分子膜材料在各个领域发挥着其独特的作用，从最低级的农田覆盖保护膜到比较高级的离子交换膜、高分子分离膜等等，高分子膜材料的应用越来越广。所以，在新的世纪，随着化学科学的发展及人类的需要，高分子膜材料必将迎来一个发展的高峰期，而不会使在上个世纪初的那种缓慢的、只有单一的人或者研究所在研究。这一点，从各个大学、学院把材料这一学科从开始分属于化学学科到现在单独的进行分类研究就可一得出这样的结论。由于高分子材料拥有传统金属、陶瓷等材料所部未有的优势，那么，作为高分子材料的一员，高分子膜材料也必将拥有极大的发展前景。

膜分离技术的核心是膜，分离膜材料的化学性质和膜的结构对膜分离的性能起着决定性影响。合成高材料以其良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化性能，一直占据分离膜材料的主导地位。[3]但目前这类高分子材料大多为已有商品高分子，并非按膜分离需要设计合成，这也是目前一些膜性能不理想的原因，因此根据现今对膜分离机理的认识，继续合成各种分子结构的功能高分子，制成均质膜，定量地研究分子结构与分离性能之间的关系；根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，通过改变高分子的自由体积和链的柔软性，改进其分离性能或改变其物理、化学性质；发展高分子合金，使膜具有性能不同甚至截然相反的基团，在更大范围内调节其性能，是高分子膜材料将要集中研究的几个方面。

小结

与先进国家相比，我国的膜分离技术和水平还存在相当大的差距，主要表现在研究成果周期长且转化率低；分离膜品种少，性能低，一些高性能的膜还依赖于进口。目前在我国微滤、超滤、纳滤、反渗透以及电渗析膜的分离技术一相当成熟。但膜材料水平较低，为了解决膜产业发展首先要解决膜材料结构的可控制备，再提高膜的材料性能，从而进一步发展我国的高分子膜产业。

综上所述，高分子膜材料是一种新兴的材料，它的应用在环境保护，资源有效利用方面有着不可忽视的重要意义。因此，发展高分子膜产业对于我国的可持续发展是非常有利的。我们应不断探索创新，开辟出新天地。

参考文献

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[2]王志斌，申静，高朝祥，周文 高分子膜材料在膜分离过程的应用.四川化工职业技术学院，四川泸州 646005)

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[4]董子丰.气体膜分离在石化领域的引用.北京 1999

[5]滕一万、武法文、王辉、李磊、张志炳 1 CO2/CH4高分子气体分离膜材料研究进展（1南京大学化学化工学院化工系，江苏 南京 2100 93；2中国药科大学药学院制药工程教研室，江苏 南京 21 0009）

[6]王世荣、张敬贤.分子分离膜材料的最新研究进展（1.第七一八研究所，河北 邯郸 056027；2.邯郸职业技术学院，河北 邯郸 056001）

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