1.3　膜

1.3.1　材料和分類

具有分離功能的固體膜目前主要以有機高分子聚合物為膜材料，但以無機物為膜材料的分離膜近年來發展迅速。

膜的種類和功能繁多，不可能用一種方法來明確分類。比較通用的有以下四種分類方法。

（1）按膜的材料分類

①有機膜

②無機膜

③有機-無機復合膜或混合基質膜

（2）按膜的結構分類

①多孔膜

微孔膜

介孔膜

大孔膜

②非多孔膜

金屬膜

合金膜

聚合物膜

③液膜

無固相支撐型膜（又稱乳化液膜）

有固相支撐型膜（又稱固定膜或支撐液膜）

（3）按膜的用途分類

①水處理膜

海水與苦咸水淡化膜：主要采用反滲透膜、正滲透膜、電滲析膜

水質凈化膜：微濾膜、超濾膜、納濾膜

污水處理膜：超微濾膜常用于構建污水處理的膜生物反應器

②氣體分離膜

氫分離膜

氧分離膜

二氧化碳分離膜

有機氣體分離膜

氣固分離膜

③特種分離膜

陶瓷膜：微濾膜、超濾膜、納濾膜

滲透汽化膜：透水膜、透有機物膜、有機物與有機物分離膜

陽離子交換膜

陰離子交換膜

④民生用膜

凈水器用膜

空氣凈化器用膜

醫療用膜：血液透析膜、人工肺、人工肝輔助系統等

智能膜：仿生和生物啟發分離膜、識別和感應膜等

能源用膜：鋰電池、燃料電池、液流電池等用膜

（4）按膜的作用機理分類

①篩分

多孔膜

分子篩膜

②溶解擴散

聚合物膜

金屬膜

炭膜

③離子交換

陽離子交換膜

陰離子交換膜

④選擇滲透

滲析膜

反滲透膜

電滲析膜

⑤非選擇性

加熱處理的微孔玻璃膜

過濾型的微孔膜

1.3.2　主要制備方法

分離膜的性能是由膜材料及其結構形態決定的，而后者取決于膜的制備方法。目前有不少性能優良的分離膜，膜材料早已公之于世，但仍只有掌握其制備技術的公司才能生產出來。因此，作為一種分離膜，其內容應包括材料和制膜工藝兩部分。對多孔膜的制備來說，一般追求膜的高開孔率（高滲透系數）和窄孔徑分布（高分離系數）。

1.3.2.1　聚合物膜的制備

由于聚合物性質不同及膜的結構和形狀不同，膜的制備方法有很多種，如熱壓成型法、熔融-拉伸法、相轉化法、浸涂法、輻照法、自組裝法、界面聚合法、表面化學改性法、等離子聚合法、核徑跡刻蝕法、選擇性溶脹法等。在膜過程中用得最多的是非對稱膜，L-S相轉化法（也稱浸沒沉淀相轉化法、非溶劑致相轉化法、NIPS法）是制造非對稱膜應用最廣泛的方法。該方法是由Loeb和Sourirajan發明的，他們制造出了第一張具有高脫鹽率和高通量的醋酸纖維素非對稱反滲透膜［4-6］（圖1-1），該制膜流程如圖1-2所示。用這種工藝制造的膜能同時形成極薄的致密脫鹽層和較厚的多孔支撐層。影響膜性能的工藝參數主要有溶劑、鑄膜液濃度及其組成、凝膠液組成及溫度等。除此之外，相轉化法還包括溶劑蒸發法、水蒸氣吸入法、熱致相分離法（TIPS法）等。在NIPS法基礎上，研究者結合嵌段共聚物的自組裝能力開發了自組裝-相轉化復合法（SNIPS），該方法可制備具有均孔表面的非對稱結構膜。

另一種具有非對稱結構的分離膜稱為復合膜。它是先制成多孔支撐層，再在其表面覆蓋一層致密薄層（皮層）。它與上面提到的非對稱膜的區別在于：①多孔支撐層和致密層不是一次同時形成而是分兩次或多次制成的；②復合膜的皮層膜材料一般與支撐層的膜材料不同，而非對稱膜則是同一種材料。復合膜的制備方法有高分子溶液涂覆法、界面聚合法、原位聚合法、等離子體聚合法、層層自組裝法、原位沉積法等。其中，界面聚合法現已成為生產納濾膜、反滲透膜的主要方法。

1.3.2.2　無機膜的制備

無機分離膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金屬及其合金膜、炭膜、分子篩膜及其他新型無機膜（如石墨烯膜、金屬有機骨架膜等），還有以無機多孔膜為支撐體與有機高分子致密薄層組成的復合膜。無機分離膜的制備方法主要有固態粒子燒結法、溶膠-凝膠法、薄膜沉積法、陽極氧化法、相轉化法、熱分解法、水熱法等［7］。

以應用最為廣泛的多孔陶瓷膜為例，其通常由三層結構構成：多孔載體、過渡層和活性分離層（見圖1-3）。第一層為多孔載體，用不同配比的陶瓷粉體燒結而成。多孔載體的孔徑主要由燒結溫度和顆粒尺寸控制，通常控制在3～15μm。過渡層又稱中間層，通常采用浸漿方法制備，將粒徑更小的陶瓷粉體涂覆在多孔載體表面，其孔徑在0.05～0.5μm之間。活性分離層即是膜層，它是通過各種方法負載于多孔載體或過渡層上，分離過程主要在這層薄膜上發生。溶膠-凝膠法是最為常見的膜層制備方法，膜層的孔徑可以控制在1nm到幾十納米。多孔陶瓷膜的制備工藝簡圖如圖1-4所示。

1.3.3　膜組件

膜組件是將膜以某種形式組裝在一個基本單元設備內，在一定驅動力作用下，可完成混合物中各組分分離的裝置。膜面積愈大，單位時間透過量愈多。因此，當膜分離技術實際應用時，要求開發在單位體積內具有最大膜面積的組件。

分離膜組件的設計是從模擬平板式過濾器開始的。目前膜組件有五種基本形式：板框式組件（也稱平板式組件，plate and frame module）、管式組件（tubular module）、毛細管式組件（capillary module）、中空纖維式組件（hollow fiber module）、螺旋卷式組件（spiral wound module）。

這五種組件的優缺點比較見表1-6。一般情況下，板框式組件和管式組件處理量較小，尤其適用于高黏度、含大量懸浮雜質的對象。處理量大時，應使用中空纖維式組件和螺旋卷式組件。