[科普中国]-多孔膜处理

多孔膜的筛分理论

用拉伸、相转化等方法制取的微滤、超滤膜体上具有穿透膜体的孔隙，从而形成多孔膜。多孔膜过程的机理可用筛分理论解释，粒径小于膜孔的颗粒可透过膜孔，粒径等于膜孔的颗粒可堵塞膜孔，粒径大于膜孔的颗粒被膜体截留。此外，带电颗粒在膜表面及膜孔中的吸附截留，小于孔径的颗粒在孔口处的架桥截留，也具有一定的截留作用。

衡量多孔膜的性质有孔隙率、截留孔径与孔径方差三大指标。孔隙率指膜面中各孔面积之和与整个膜面积的比值，孔隙率的高低决定着透速率的高低。为保证高的透速率则要求尽可能高的孔隙率，但为保持一定的机械强度，膜的孔隙率也受到一定限制。因材料及工艺的制约，膜的孔径不可能完全一致，必然成某种数学分布，膜孔分布的均方差大小反映着孔径分布的集中与否，决定着透过粒径与截留粒径的分辨率。

图1所示多孔膜孔径的概率分布曲线表明，由于孔径的不一致，透过粒径缺乏一个严格分界。膜孔径的均值也是多孔膜的重要指标，表征透过粒径的平均值，但过滤工艺更关心的是透过粒径的最大值或截留粒径的最小粒径。通常将截留率达到95%的物质粒径称为膜的截留粒径，将透过率达到5%的物质粒径称为膜的透过粒径。多孔膜用于提纯工艺时应参考透过物标称最大粒径，用于浓缩工艺时应参考截留物的标称最小粒径1。

活跃在水处理方面的含氟膜不单是生活用水，各种各样的产业中需要的水已经不能仅仅依靠大自然的水循环了，确保水资源已经成为了世界性的问题。解决这个课题的一个关键技术就是用氟做成的膜。从自来水龙头中放出来的水就能饮用，也是因为各净水厂有用膜过滤的工程。现存全世界每天有3 000万立方米以上的水使用膜进行处理，在这方面发挥着很大作用的就是用聚偏氟乙烯(PVdF)制作的中空纤维多孔膜。这个中空纤维成为像吸管一样的中央是空洞的筒状，在筒壁上开着很细的孔。从这个空洞的外侧加压的水在通过PVdF壁面的时候靠筛子的效果去除垃圾，在内侧的窄洞部分回收干净的水。膜有几个种类，PVdF使用在了超滤膜(孔径：数十纳米至数微米)和精密过滤膜(孔径：数十纳米至数微米)上，在净水厂可以去除从病毒到大肠杆菌那样大小的东两。

中空纤维膜的壁面上的细小的孔因为容易发生孔堵塞，要通过一边定期地向相反方向用水冲来去除堵塞的东西，一边使用。如果孔的堵塞严重，要用药品清洗来恢复过滤能力。因此，膜材料必须不单是耐药品性出色，还要有强度和耐久性，而PVdF满足了这个条件。中空纤维膜是将原材料树脂溶解在溶剂中，用被称为TIPS和NIPS的方法诱起相分离，使之形成细孔结构做成的。和其他的氟树脂不同，PVdF容易溶解在溶剂里，就可以用这样的疗法制成。另外，作为膜的形状，不但是中空纤维，还有平板状的多孔膜，也被广泛地使用着，家庭用净水器很多都使用着中空纤维。

微纳孔隙二氧化钛多孔膜二氧化钛(TiO2)是一种稳定、无毒且耐化学腐蚀的高活性光催化剂，应用过程中一般将其制备成某一载体上的膜层结构。光催化剂在载体上的负载方法主要有气相法、溶胶一凝胶法(Sol—Gel)、粉体烧结法、偶联粘结法、离子交换法、液相沉积法、水解沉积法、掺杂法、直接浸涂热分解法和交联法等，其中溶胶一凝胶法可多次重复膜层制备过程以增加二氧化钛膜的厚度，所得负载二氧化钛膜层具有较高的光催化活性和较好的牢固性，且分布均匀。该法工艺简单、条件温和、工艺可调控，且适于复杂形状载体上的负载，是目前制备二氧化钛膜最常用的方法。由于催化过程是一个界面过程，因此，增大二氧化钛膜层的比表面积无疑能够提高其光催化效率。本书作者在溶胶一凝胶法所得常规负载二氧化钛膜层的基础上，通过离子轰击的方式获得了一种具有微纳孔隙结构的多孔膜层，由此增加了膜层的比表面积。甲基橙溶液为废水模型的光催化实验显示，多孔膜的光催化性能明显好于原来的无孔膜结构2。