高分子膜材料在膜分离过程中的应用探析

崔梦冰 刘清玲

摘 要：针对高分子膜材料在膜分离过程中的应用进行讨论，在对其具体应用加以了解的同时，对其应用前景进行了深入的探讨和描述，希望能够进一步提升高分子膜材料的应用效果，为相关领域的发展提供参考和借鉴。

关键词：高分子膜材料;膜分离;实践

随着科技的进步，膜分离技术在各领域的应用也变得越来越广泛，尤其是在污水处理、冶金、纺织以及化工等领域的发展中发挥了巨大的推动作用。对于膜分离技术而言，膜材料的研发与应用一直都是发展的主要方向，其中高分子膜材料就是较为主流的膜技术，其应用会对膜分离技术的效用发挥造成直接的影响，因此，针对高分子膜材料在膜分离过程中的实践应用加强研究是很有必要的。

1    在膜分离期间高分子膜材料的具体应用

1.1  在膜制备方面的应用

1.1.1  聚酰胺类材料

所谓的聚酰胺类材料，实际上就是一些含有酰胺链段的聚合物，对其进行应用，可以制备气体分离膜以及液体分离膜等。相关人员借助螺旋形聚醚砜中空纤维膜对洗毛废水的处理效果进行了研究。试验发现，利用这种高分子膜材料对于羊毛脂能够实现92%以上的截留率，对于废水的浊度以及化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）的去除率分别能够达到91%和99%。由此可见，将其应用在膜分离技术中能够获得良好的处理效果。也有研究人员对聚酰胺纳滤膜的分离效果进行了研究，分别对含有红色和黑色的活性染料废水进行处理，获得的截留率分别是92%和94%，而对COD的去除率也能够达到94%。此外，相关人员还对聚砜膜进行了试验，发现这种高分子膜材料表面具有负电荷，而很多染料分子同样含有负电荷，所以会产生相互排斥的作用，确保了相应的截留率及膜通量[1]。

尽管有很多高分子材料都可以用于膜的制备，但仍需要相关领域从功能材料、合金材料以及膜面化学改性等方面入手加强研究，不断提升高分子膜的性能、扩大适用范围。

1.1.2  纤维素

纤维素这种高分子材料具有明显的天然性特征，主要是以植物细胞材料为来源。目前，醋酸纤维素（Cellulose Acetate，CA）在膜分离过程中的应用较为广泛。早在1960年，相关人员就已经在膜分离工艺中对该项材料进行了有效的应用，使得膜分离期间的透水率以及脱盐率得到了显著的提升。但其缺陷在于分子链当中含有—COOR，受到酸碱作用的影响，容易出现水解现象，而且水解速度会受到pH和温度的影响，所以，单纯地使用CA材料会存在很大的局限性，但将其与其他材料混合制备，则可以有效扩大适用范围。例如，相关人员将CA材料与三醋酸纤维素进行结合应用，借助     L-S法获得不对称纳滤膜，能够保证200～600的截留分子质量。在1 MPa的条件下，对1 000 mg/L的Na2SO4水溶液进行截留，截留率在90%以上[2]。

纤维素大多为线型棍状结构且不容易弯曲，可以用于超滤膜、微滤膜以及反渗透膜的制备。除此之外，由于使用纤维素制备的膜具有较大的过滤通量，又容易降解，应用前景也是非常广阔的。

1.1.3  壳聚糖

壳聚糖是一种天然多糖，具有碱性特征，对生物具有较高的亲和性，容易接枝改性，不仅能够进行生物降解，对于微生物也有较高的固化效率。因此，相关领域对这种高分子膜材料的应用进行了大量的研究与实践。例如，有学者利用墨干鱼进行交联壳聚糖的制作，因为其中固定了活性酶，所以能够对活性染料进行有效的吸附，虽然交联度会对酶的活性造成一定的影响，但是具有降解染料分子的作用。还有学者通过相转化法制备了壳聚糖反渗透膜。实践发现，在厚度相同的情况下，这种反渗透膜要比传统形式的醋酸纤维膜具有更高的耐久性、脱酸率和透水率。

壳聚糖本身比较容易改性成膜，而且耐溶剂性能较强，加之其是天然的高分子材料，所以不存在毒害作用，抗菌效果也非常出众，能够和水分子构成较强的氢键。同时，其对于碱土金属离子具有较高的脱出率，是一种综合效益较高的反渗透膜，所以，在未来发展中具有较大的应用潜力[3]。

1.1.4  其他类型的材料

目前，常用的高分子膜材料除了上述几类之外，还包括聚丙烯、聚偏氟乙烯以及聚四氟乙烯等。将这些高分子膜材料应用在膜分离技术中，不仅能够保证较高的化学稳定性和良好的疏水性，還能使膜具有更高的抗氧化性。因此，相关人员针对聚偏氟乙烯的应用进行了研究，分别针对单膜和复合膜展开了试验，发现通过优化工艺制备聚偏氟乙烯膜，能够将孔隙率控制在75%以上，而且膜的平均孔径能够控制在1 μm以下，孔的形态基本可以达到微孔膜的理想状态。在其中加入支撑体获得的复合膜，在膜中有着贯穿性指状孔，具有较高的除盐率和抗污染性能。除此之外，相关人员在研究中将多孔尼龙当作支撑体，制作成聚苯胺导电透膜，并以此为基础展开气体分离试验。由试验结果可知，这种膜具有较高的选择性，在对其进行二次掺杂以后，进行O2、N2的分离试验，发现该模的分离离散数能够达到28[4]。

当然，在液体分离方面具有较强适用性的高分子膜材料还包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚芳香醚、聚乙烯以及聚酰亚胺等。每一种高分子膜材料的特性和适用范围都是不同的，但如果能够对这些材料容易接枝和改性的特征进行充分的利用，就会获得更为广阔的应用前景和更好的应用效果。

1.2  高分子膜材料自身的改性

随着膜分离技术在各领域的广泛应用，各界对于膜材料的要求也在不断提升，要求膜不但要具有丰富的选择性，在热稳定性、化学稳定性、机械强度以及通量方面也要满足相关工作的要求。但对单一的高分子材料进行应用，想要满足这些要求是不现实的。因此，还需要相关领域做好膜材料的改性工作，以此来获得综合性能较好的膜材料。

对于膜材料的改性来说，常用的方法包括等离子体表面改性法、等离子体表面聚合法、表面接枝法、辐照法以及活性剂吸附法等。

有的研究人员对高分子质量聚乙烯微孔膜实施改性处理，发现改性之后的膜具有更高的通量恢复能力，经过清洗，能够将其通量恢复到80%以上，而且改性膜对于污染的抵抗力也更强，特别是对蛋白质污染，具有良好的抗性。有的研究人员在醋酸纤维素当中加入了过渡金属，获得的改性膜不仅具有良好的耐高温性能，耐酸性能也十分突出。有的研究人员利用理化的方式进行膜的改性处理，获得的交联聚酰胺反渗透复合膜具有更高的耐氯性。此外，其脱盐率以及产水率也得到了适当的提升。还有的研究人员分别使用硫酸和二羟酸作为催化剂和交联剂，将含有这两种物质的聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）水溶液倒在微孔聚砜支撑膜上，发现使用草酸作为交联剂能够获得最佳的效果，制备的膜在温度为25 ℃、压力为0.4 MPa的条件下，对于质量分数为0.35%的NaCl溶液有95%的截留率[5]。

通过上述研究可以确定，对高分子膜材料进行改性处理以后，会使其综合性能得到有效的提升，包括机械性能、热稳定性、化学稳定性以及耐腐蚀性等。因此，对于膜材料的改性处理也应该作为相关领域研究的主要方向。

2    高分子膜材料的应用前景

虽然目前我国的膜分离技术已经得到了快速的发展，各方面的应用也较为成熟，但随着现代社会的发展，各界对于膜分离技术的要求也会不断提升，包括产品质量、应用成本等诸多方面，也随之衍生了一系列的问题，包括产值、通量稳定性以及选择性等。

2.1  产值

尽管如今的膜分离技术在应用方面已经逐渐趋于成熟，但在很多方面仍然无法达到产业化要求。因此，相关领域一直致力于新型膜材料的研发与应用，意在通过科学、先进的强化膜提高膜分离技术的应用效果，使其能够在各领域的发展中发挥更大的作用。

2.2  膜通量

针对该项问题的研究应该集中在膜分离过程中的污染防控上。不管对何种膜材料和膜分离技术进行应用，各种膜污染问题都是难以避免的，包括膜表面出现黏性附层或者膜孔堵塞等。一旦出现膜污染的问题，就会对膜通量造成极大的影响，甚至还会影响产值比。因此，在发展过程中，还需要从适用范围、使用寿命以及抗污染能力方面入手加强研究，并在此基础上尽可能地降低膜分离过程中的成本投入。但这需要对各种因素进行综合考虑，例如，结合实际情况对膜材料进行优选，并合理地设计膜组件，有针对性地落实防污染措施和清洗措施，对各种操作参数进行优化等[6]。

2.3  选择性

选择性问题大多集中在膜材料方面，需要对高分子膜材料的功能性进行不断的开发，并对分离性能及分子结构的关联性进行定量研究。同时，要继续合成多种分子结构的材料，根据分离要求对组合膜材料进行设计，这也是提高高分子膜材料应用效果的重要途径。当然，还应该大力发展高分子合金，对无机、有机杂化膜的制备及应用方法进行深入的研究。

3    结语

在膜分离过程中，对高分子膜材料进行合理的应用，能够有效提升膜分离技术的应用效果，这对于相关领域的发展具有非常重要的意义。因此，相关领域必须要对高分子膜材料的应用保持高度的重视，要结合自身实際情况以及行业发展要求，对各种高分子膜材料进行合理的选择和应用，尽可能地提升膜分离过程的效果，为相关领域的发展提供支持。

[参考文献]

[1]王志斌，申静，高朝祥，等.高分子膜材料在膜分离过程的应用[J].过滤与分离，2018，20（2）：1-4.

[2]涂家祎.高分子膜材料在膜分离过程中的应用[J].科技创新与应用，2016（16）：121.

[3]宋卫臣.高分子超/纳滤膜分离过程的数值模拟[D].济南：山东大学，2017.

[4]李敏哲，栾兆坤，迟娟，等.高分子分离膜及其在水处理技术中的应用[C].丽江：全国塑料改性及合金工业技术交流年会论文集，2005.

[5]王薇，杜启云.纳滤膜分离技术的应用进展[J].高分子通报，2017，25（12）：12-18.

[6]高汉荣.高分子负载钯催化剂的加氢、羰化反应中的应用及其有关材料在膜分离中应用的试探[D].大连：中国科学院大连化学物理研究所，2018.