高分子膜材料在膜分離過程中的應(yīng)用探析

崔夢冰 劉清玲

摘 要：針對高分子膜材料在膜分離過程中的應(yīng)用進行討論，在對其具體應(yīng)用加以了解的同時，對其應(yīng)用前景進行了深入的探討和描述，希望能夠進一步提升高分子膜材料的應(yīng)用效果，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高分子膜材料;膜分離;實踐

隨著科技的進步，膜分離技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用也變得越來越廣泛，尤其是在污水處理、冶金、紡織以及化工等領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮了巨大的推動作用。對于膜分離技術(shù)而言，膜材料的研發(fā)與應(yīng)用一直都是發(fā)展的主要方向，其中高分子膜材料就是較為主流的膜技術(shù)，其應(yīng)用會對膜分離技術(shù)的效用發(fā)揮造成直接的影響，因此，針對高分子膜材料在膜分離過程中的實踐應(yīng)用加強研究是很有必要的。

1 ? ?在膜分離期間高分子膜材料的具體應(yīng)用

1.1 ?在膜制備方面的應(yīng)用

1.1.1 ?聚酰胺類材料

所謂的聚酰胺類材料，實際上就是一些含有酰胺鏈段的聚合物，對其進行應(yīng)用，可以制備氣體分離膜以及液體分離膜等。相關(guān)人員借助螺旋形聚醚砜中空纖維膜對洗毛廢水的處理效果進行了研究。試驗發(fā)現(xiàn)，利用這種高分子膜材料對于羊毛脂能夠?qū)崿F(xiàn)92%以上的截留率，對于廢水的濁度以及化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）的去除率分別能夠達到91%和99%。由此可見，將其應(yīng)用在膜分離技術(shù)中能夠獲得良好的處理效果。也有研究人員對聚酰胺納濾膜的分離效果進行了研究，分別對含有紅色和黑色的活性染料廢水進行處理，獲得的截留率分別是92%和94%，而對COD的去除率也能夠達到94%。此外，相關(guān)人員還對聚砜膜進行了試驗，發(fā)現(xiàn)這種高分子膜材料表面具有負電荷，而很多染料分子同樣含有負電荷，所以會產(chǎn)生相互排斥的作用，確保了相應(yīng)的截留率及膜通量[1]。

盡管有很多高分子材料都可以用于膜的制備，但仍需要相關(guān)領(lǐng)域從功能材料、合金材料以及膜面化學(xué)改性等方面入手加強研究，不斷提升高分子膜的性能、擴大適用范圍。

1.1.2 ?纖維素

纖維素這種高分子材料具有明顯的天然性特征，主要是以植物細胞材料為來源。目前，醋酸纖維素（Cellulose Acetate，CA）在膜分離過程中的應(yīng)用較為廣泛。早在1960年，相關(guān)人員就已經(jīng)在膜分離工藝中對該項材料進行了有效的應(yīng)用，使得膜分離期間的透水率以及脫鹽率得到了顯著的提升。但其缺陷在于分子鏈當中含有—COOR，受到酸堿作用的影響，容易出現(xiàn)水解現(xiàn)象，而且水解速度會受到pH和溫度的影響，所以，單純地使用CA材料會存在很大的局限性，但將其與其他材料混合制備，則可以有效擴大適用范圍。例如，相關(guān)人員將CA材料與三醋酸纖維素進行結(jié)合應(yīng)用，借助 ? ? L-S法獲得不對稱納濾膜，能夠保證200～600的截留分子質(zhì)量。在1 MPa的條件下，對1 000 mg/L的Na2SO4水溶液進行截留，截留率在90%以上[2]。

纖維素大多為線型棍狀結(jié)構(gòu)且不容易彎曲，可以用于超濾膜、微濾膜以及反滲透膜的制備。除此之外，由于使用纖維素制備的膜具有較大的過濾通量，又容易降解，應(yīng)用前景也是非常廣闊的。

1.1.3 ?殼聚糖

殼聚糖是一種天然多糖，具有堿性特征，對生物具有較高的親和性，容易接枝改性，不僅能夠進行生物降解，對于微生物也有較高的固化效率。因此，相關(guān)領(lǐng)域?qū)@種高分子膜材料的應(yīng)用進行了大量的研究與實踐。例如，有學(xué)者利用墨干魚進行交聯(lián)殼聚糖的制作，因為其中固定了活性酶，所以能夠?qū)钚匀玖线M行有效的吸附，雖然交聯(lián)度會對酶的活性造成一定的影響，但是具有降解染料分子的作用。還有學(xué)者通過相轉(zhuǎn)化法制備了殼聚糖反滲透膜。實踐發(fā)現(xiàn)，在厚度相同的情況下，這種反滲透膜要比傳統(tǒng)形式的醋酸纖維膜具有更高的耐久性、脫酸率和透水率。

殼聚糖本身比較容易改性成膜，而且耐溶劑性能較強，加之其是天然的高分子材料，所以不存在毒害作用，抗菌效果也非常出眾，能夠和水分子構(gòu)成較強的氫鍵。同時，其對于堿土金屬離子具有較高的脫出率，是一種綜合效益較高的反滲透膜，所以，在未來發(fā)展中具有較大的應(yīng)用潛力[3]。

1.1.4 ?其他類型的材料

目前，常用的高分子膜材料除了上述幾類之外，還包括聚丙烯、聚偏氟乙烯以及聚四氟乙烯等。將這些高分子膜材料應(yīng)用在膜分離技術(shù)中，不僅能夠保證較高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的疏水性，還能使膜具有更高的抗氧化性。因此，相關(guān)人員針對聚偏氟乙烯的應(yīng)用進行了研究，分別針對單膜和復(fù)合膜展開了試驗，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化工藝制備聚偏氟乙烯膜，能夠?qū)⒖紫堵士刂圃?5%以上，而且膜的平均孔徑能夠控制在1 μm以下，孔的形態(tài)基本可以達到微孔膜的理想狀態(tài)。在其中加入支撐體獲得的復(fù)合膜，在膜中有著貫穿性指狀孔，具有較高的除鹽率和抗污染性能。除此之外，相關(guān)人員在研究中將多孔尼龍當作支撐體，制作成聚苯胺導(dǎo)電透膜，并以此為基礎(chǔ)展開氣體分離試驗。由試驗結(jié)果可知，這種膜具有較高的選擇性，在對其進行二次摻雜以后，進行O2、N2的分離試驗，發(fā)現(xiàn)該模的分離離散數(shù)能夠達到28[4]。

當然，在液體分離方面具有較強適用性的高分子膜材料還包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚芳香醚、聚乙烯以及聚酰亞胺等。每一種高分子膜材料的特性和適用范圍都是不同的，但如果能夠?qū)@些材料容易接枝和改性的特征進行充分的利用，就會獲得更為廣闊的應(yīng)用前景和更好的應(yīng)用效果。

1.2 ?高分子膜材料自身的改性

隨著膜分離技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，各界對于膜材料的要求也在不斷提升，要求膜不但要具有豐富的選擇性，在熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機械強度以及通量方面也要滿足相關(guān)工作的要求。但對單一的高分子材料進行應(yīng)用，想要滿足這些要求是不現(xiàn)實的。因此，還需要相關(guān)領(lǐng)域做好膜材料的改性工作，以此來獲得綜合性能較好的膜材料。

對于膜材料的改性來說，常用的方法包括等離子體表面改性法、等離子體表面聚合法、表面接枝法、輻照法以及活性劑吸附法等。

有的研究人員對高分子質(zhì)量聚乙烯微孔膜實施改性處理，發(fā)現(xiàn)改性之后的膜具有更高的通量恢復(fù)能力，經(jīng)過清洗，能夠?qū)⑵渫炕謴?fù)到80%以上，而且改性膜對于污染的抵抗力也更強，特別是對蛋白質(zhì)污染，具有良好的抗性。有的研究人員在醋酸纖維素當中加入了過渡金屬，獲得的改性膜不僅具有良好的耐高溫性能，耐酸性能也十分突出。有的研究人員利用理化的方式進行膜的改性處理，獲得的交聯(lián)聚酰胺反滲透復(fù)合膜具有更高的耐氯性。此外，其脫鹽率以及產(chǎn)水率也得到了適當?shù)奶嵘?。還有的研究人員分別使用硫酸和二羥酸作為催化劑和交聯(lián)劑，將含有這兩種物質(zhì)的聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）水溶液倒在微孔聚砜支撐膜上，發(fā)現(xiàn)使用草酸作為交聯(lián)劑能夠獲得最佳的效果，制備的膜在溫度為25 ℃、壓力為0.4 MPa的條件下，對于質(zhì)量分數(shù)為0.35%的NaCl溶液有95%的截留率[5]。

通過上述研究可以確定，對高分子膜材料進行改性處理以后，會使其綜合性能得到有效的提升，包括機械性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及耐腐蝕性等。因此，對于膜材料的改性處理也應(yīng)該作為相關(guān)領(lǐng)域研究的主要方向。

2 ? ?高分子膜材料的應(yīng)用前景

雖然目前我國的膜分離技術(shù)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，各方面的應(yīng)用也較為成熟，但隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，各界對于膜分離技術(shù)的要求也會不斷提升，包括產(chǎn)品質(zhì)量、應(yīng)用成本等諸多方面，也隨之衍生了一系列的問題，包括產(chǎn)值、通量穩(wěn)定性以及選擇性等。

2.1 ?產(chǎn)值

盡管如今的膜分離技術(shù)在應(yīng)用方面已經(jīng)逐漸趨于成熟，但在很多方面仍然無法達到產(chǎn)業(yè)化要求。因此，相關(guān)領(lǐng)域一直致力于新型膜材料的研發(fā)與應(yīng)用，意在通過科學(xué)、先進的強化膜提高膜分離技術(shù)的應(yīng)用效果，使其能夠在各領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。

2.2 ?膜通量

針對該項問題的研究應(yīng)該集中在膜分離過程中的污染防控上。不管對何種膜材料和膜分離技術(shù)進行應(yīng)用，各種膜污染問題都是難以避免的，包括膜表面出現(xiàn)黏性附層或者膜孔堵塞等。一旦出現(xiàn)膜污染的問題，就會對膜通量造成極大的影響，甚至還會影響產(chǎn)值比。因此，在發(fā)展過程中，還需要從適用范圍、使用壽命以及抗污染能力方面入手加強研究，并在此基礎(chǔ)上盡可能地降低膜分離過程中的成本投入。但這需要對各種因素進行綜合考慮，例如，結(jié)合實際情況對膜材料進行優(yōu)選，并合理地設(shè)計膜組件，有針對性地落實防污染措施和清洗措施，對各種操作參數(shù)進行優(yōu)化等[6]。

2.3 ?選擇性

選擇性問題大多集中在膜材料方面，需要對高分子膜材料的功能性進行不斷的開發(fā)，并對分離性能及分子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性進行定量研究。同時，要繼續(xù)合成多種分子結(jié)構(gòu)的材料，根據(jù)分離要求對組合膜材料進行設(shè)計，這也是提高高分子膜材料應(yīng)用效果的重要途徑。當然，還應(yīng)該大力發(fā)展高分子合金，對無機、有機雜化膜的制備及應(yīng)用方法進行深入的研究。

3 ? ?結(jié)語

在膜分離過程中，對高分子膜材料進行合理的應(yīng)用，能夠有效提升膜分離技術(shù)的應(yīng)用效果，這對于相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有非常重要的意義。因此，相關(guān)領(lǐng)域必須要對高分子膜材料的應(yīng)用保持高度的重視，要結(jié)合自身實際情況以及行業(yè)發(fā)展要求，對各種高分子膜材料進行合理的選擇和應(yīng)用，盡可能地提升膜分離過程的效果，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供支持。

[參考文獻]

[1]王志斌，申靜，高朝祥，等.高分子膜材料在膜分離過程的應(yīng)用[J].過濾與分離，2018，20（2）：1-4.

[2]涂家祎.高分子膜材料在膜分離過程中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（16）：121.

[3]宋衛(wèi)臣.高分子超/納濾膜分離過程的數(shù)值模擬[D].濟南：山東大學(xué)，2017.

[4]李敏哲，欒兆坤，遲娟，等.高分子分離膜及其在水處理技術(shù)中的應(yīng)用[C].麗江：全國塑料改性及合金工業(yè)技術(shù)交流年會論文集，2005.

[5]王薇，杜啟云.納濾膜分離技術(shù)的應(yīng)用進展[J].高分子通報，2017，25（12）：12-18.

[6]高漢榮.高分子負載鈀催化劑的加氫、羰化反應(yīng)中的應(yīng)用及其有關(guān)材料在膜分離中應(yīng)用的試探[D].大連：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，2018.