1.3　膜

1.3.1　材料和分类

具有分离功能的固体膜目前主要以有机高分子聚合物为膜材料，但以无机物为膜材料的分离膜近年来发展迅速。

膜的种类和功能繁多，不可能用一种方法来明确分类。比较通用的有以下四种分类方法。

（1）按膜的材料分类

①有机膜

②无机膜

③有机-无机复合膜或混合基质膜

（2）按膜的结构分类

①多孔膜

微孔膜

介孔膜

大孔膜

②非多孔膜

金属膜

合金膜

聚合物膜

③液膜

无固相支撑型膜（又称乳化液膜）

有固相支撑型膜（又称固定膜或支撑液膜）

（3）按膜的用途分类

①水处理膜

海水与苦咸水淡化膜：主要采用反渗透膜、正渗透膜、电渗析膜

水质净化膜：微滤膜、超滤膜、纳滤膜

污水处理膜：超微滤膜常用于构建污水处理的膜生物反应器

②气体分离膜

氢分离膜

氧分离膜

二氧化碳分离膜

有机气体分离膜

气固分离膜

③特种分离膜

陶瓷膜：微滤膜、超滤膜、纳滤膜

渗透汽化膜：透水膜、透有机物膜、有机物与有机物分离膜

阳离子交换膜

阴离子交换膜

④民生用膜

净水器用膜

空气净化器用膜

医疗用膜：血液透析膜、人工肺、人工肝辅助系统等

智能膜：仿生和生物启发分离膜、识别和感应膜等

能源用膜：锂电池、燃料电池、液流电池等用膜

（4）按膜的作用机理分类

①筛分

多孔膜

分子筛膜

②溶解扩散

聚合物膜

金属膜

炭膜

③离子交换

阳离子交换膜

阴离子交换膜

④选择渗透

渗析膜

反渗透膜

电渗析膜

⑤非选择性

加热处理的微孔玻璃膜

过滤型的微孔膜

1.3.2　主要制备方法

分离膜的性能是由膜材料及其结构形态决定的，而后者取决于膜的制备方法。目前有不少性能优良的分离膜，膜材料早已公之于世，但仍只有掌握其制备技术的公司才能生产出来。因此，作为一种分离膜，其内容应包括材料和制膜工艺两部分。对多孔膜的制备来说，一般追求膜的高开孔率（高渗透系数）和窄孔径分布（高分离系数）。

1.3.2.1　聚合物膜的制备

由于聚合物性质不同及膜的结构和形状不同，膜的制备方法有很多种，如热压成型法、熔融-拉伸法、相转化法、浸涂法、辐照法、自组装法、界面聚合法、表面化学改性法、等离子聚合法、核径迹刻蚀法、选择性溶胀法等。在膜过程中用得最多的是非对称膜，L-S相转化法（也称浸没沉淀相转化法、非溶剂致相转化法、NIPS法）是制造非对称膜应用最广泛的方法。该方法是由Loeb和Sourirajan发明的，他们制造出了第一张具有高脱盐率和高通量的醋酸纤维素非对称反渗透膜［4-6］（图1-1），该制膜流程如图1-2所示。用这种工艺制造的膜能同时形成极薄的致密脱盐层和较厚的多孔支撑层。影响膜性能的工艺参数主要有溶剂、铸膜液浓度及其组成、凝胶液组成及温度等。除此之外，相转化法还包括溶剂蒸发法、水蒸气吸入法、热致相分离法（TIPS法）等。在NIPS法基础上，研究者结合嵌段共聚物的自组装能力开发了自组装-相转化复合法（SNIPS），该方法可制备具有均孔表面的非对称结构膜。

另一种具有非对称结构的分离膜称为复合膜。它是先制成多孔支撑层，再在其表面覆盖一层致密薄层（皮层）。它与上面提到的非对称膜的区别在于：①多孔支撑层和致密层不是一次同时形成而是分两次或多次制成的；②复合膜的皮层膜材料一般与支撑层的膜材料不同，而非对称膜则是同一种材料。复合膜的制备方法有高分子溶液涂覆法、界面聚合法、原位聚合法、等离子体聚合法、层层自组装法、原位沉积法等。其中，界面聚合法现已成为生产纳滤膜、反渗透膜的主要方法。

1.3.2.2　无机膜的制备

无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属及其合金膜、炭膜、分子筛膜及其他新型无机膜（如石墨烯膜、金属有机骨架膜等），还有以无机多孔膜为支撑体与有机高分子致密薄层组成的复合膜。无机分离膜的制备方法主要有固态粒子烧结法、溶胶-凝胶法、薄膜沉积法、阳极氧化法、相转化法、热分解法、水热法等［7］。

以应用最为广泛的多孔陶瓷膜为例，其通常由三层结构构成：多孔载体、过渡层和活性分离层（见图1-3）。第一层为多孔载体，用不同配比的陶瓷粉体烧结而成。多孔载体的孔径主要由烧结温度和颗粒尺寸控制，通常控制在3～15μm。过渡层又称中间层，通常采用浸浆方法制备，将粒径更小的陶瓷粉体涂覆在多孔载体表面，其孔径在0.05～0.5μm之间。活性分离层即是膜层，它是通过各种方法负载于多孔载体或过渡层上，分离过程主要在这层薄膜上发生。溶胶-凝胶法是最为常见的膜层制备方法，膜层的孔径可以控制在1nm到几十纳米。多孔陶瓷膜的制备工艺简图如图1-4所示。

1.3.3　膜组件

膜组件是将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，在一定驱动力作用下，可完成混合物中各组分分离的装置。膜面积愈大，单位时间透过量愈多。因此，当膜分离技术实际应用时，要求开发在单位体积内具有最大膜面积的组件。

分离膜组件的设计是从模拟平板式过滤器开始的。目前膜组件有五种基本形式：板框式组件（也称平板式组件，plate and frame module）、管式组件（tubular module）、毛细管式组件（capillary module）、中空纤维式组件（hollow fiber module）、螺旋卷式组件（spiral wound module）。

这五种组件的优缺点比较见表1-6。一般情况下，板框式组件和管式组件处理量较小，尤其适用于高黏度、含大量悬浮杂质的对象。处理量大时，应使用中空纤维式组件和螺旋卷式组件。