膜是一種二維材料，即相對(duì)于長(zhǎng)和寬，其厚度幾乎可以忽略。膜廣泛存在于自然界，起著分隔、分離和選擇性透過(guò)等重要功能。隨著科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的人工合成膜被研究制造出來(lái)，并應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究。普通合成膜材料，如在農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用的塑料膜等，有很多重要的有用性質(zhì)和用途，但是其功能主要在隔離和保護(hù)方面，我們稱其為普通膜材料，屬于常規(guī)材料科學(xué)研究范圍。本章將要介紹的高分子功能膜屬于特殊性質(zhì)膜，主要表現(xiàn)在對(duì)某些物質(zhì)有一定選擇透過(guò)性。我們經(jīng)常可以觀察到這樣一種現(xiàn)象，充滿氫氣的氣球，一段時(shí)間后會(huì)由于發(fā)生氣體逸出，體積會(huì)變小，顯示構(gòu)成氣球的橡膠膜在一定程度上允許氫氣透過(guò)。然而，當(dāng)在同樣條件下充人氮?dú)?，氣球?nèi)氣體逸出的速度相對(duì)要慢得多，這說(shuō)明構(gòu)成氣球的橡膠膜對(duì)不同氣體的透過(guò)有區(qū)分效應(yīng)，是一種氣體選擇性透過(guò)膜。本章將要介紹的功能膜就是這樣一種具有選擇性透過(guò)能力的膜型材料，通常稱做分離膜，屬于功能高分子材料范疇。此外，具有其他性質(zhì)的膜，如Langmu-Blogett膜和自組裝(SelLAssembled)膜，

　　 高分子功能膜是一種重要的功能材料，已經(jīng)在許多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，或者具有巨大潛在應(yīng)用前景。比如在電場(chǎng)力作用下的電透析裝置，在壓力作用下的超濾、微濾和反滲透裝置，在濃度梯度力作用下的滲透過(guò)濾裝置，以及膜修飾電極、非線性光電材料、膜緩釋裝置等都是功能膜材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域。這些研究成果被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域。對(duì)于節(jié)約能源，提高效率，凈化環(huán)境做出了重大貢獻(xiàn)。

　　 膜科學(xué)是一門新興學(xué)科，研究的內(nèi)容包括膜的化學(xué)組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系、膜的形成方法、加工技術(shù)工藝、膜分離機(jī)制以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)等諸多方面。同時(shí)膜科學(xué)也是一種交叉學(xué)科，采用了大量化學(xué)、物理、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究成果，這些成果給膜科學(xué)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力。本章將從理論和應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)膜科學(xué)的主要內(nèi)容加以概括性介紹。本章將要講述的內(nèi)容涉及這類功能高分子膜材料的合成和制備、性質(zhì)測(cè)定與實(shí)際應(yīng)用等方面。

　　 分離膜是最重要的功能膜材料。用于混合物分離目的的合成膜材料的發(fā)展可以追溯1846年，那時(shí)Sch。nbein用硝酸纖維素制作了有實(shí)用意義的氣體分離膜。其后的近一個(gè)世紀(jì)中，合成分離膜獲得了持續(xù)發(fā)展。但是幾乎所有膜科學(xué)方面的研究工作，包括膜動(dòng)力學(xué)和膜形態(tài)學(xué)研究都是以類似的改性纖維素為基本材料。直到20世紀(jì)20年代，人工合成聚合物的出現(xiàn)，才為膜科學(xué)的發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，聚合物分子結(jié)構(gòu)與膜的形成和功能之間關(guān)系的研究也取得了重大進(jìn)展，在70年代左右形成了比較完善的膜科學(xué)。隨著近幾十年膜科學(xué)研究的成果積累，目前分離膜的制備材料早巳突破了改性纖維素的范圍，包括了天然的、合成的和半合成膜等數(shù)大類，幾百種材料。功能膜的分析研究方法也有了重大突破，膜材料的應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大擴(kuò)展。高分子功能膜材料已經(jīng)成為功能高分子材料化學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

對(duì)于膜科學(xué)發(fā)展有重要意義的重大事件有以下幾件。1935年Teorell發(fā)明了有離子選擇性透過(guò)能力的離子交換膜，并在1949年由Juda和McRac完成實(shí)用化過(guò)程 ，離子交換膜在氯堿工業(yè)的升級(jí)改造中起到了決定性作用。能夠使固液分離的微濾膜1927年在德國(guó)發(fā)明，1950年在美國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。至此，膜分離成為一項(xiàng)重要的化21232藝。1960年以來(lái)，膜科學(xué)進(jìn)入了黃金發(fā)展時(shí)期，在這一時(shí)期中，各種各樣的膜材料大量涌現(xiàn)，人們對(duì)膜科學(xué)的認(rèn)識(shí)不斷加深，研究手段不斷提高，更重要的是膜材料大面積進(jìn)入實(shí)用化、工業(yè)化。大量的技術(shù)突破，使膜材料生產(chǎn)和應(yīng)用得到了空前的發(fā)展。

我國(guó)在1958年開(kāi)始研究離子交換膜和電滲析膜，1966年開(kāi)始研究反滲透膜。同時(shí)，在微濾膜、超濾膜、液體膜、氣體分離膜、密度膜等領(lǐng)域相繼開(kāi)展研究工作。但是，從總體上來(lái)講，發(fā)展比較緩慢。從80年代以來(lái)我國(guó)以苦咸水淡化為標(biāo)志的膜分離技術(shù)研究進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。各種分離膜被廣泛應(yīng)用到海水和苦咸水淡化、純凈水制備、食品加工、藥品制造、工業(yè)廢水處理、合成氨和石油化工尾氣中回收氫氣等領(lǐng)域。迄今為止，我國(guó)從事膜分離過(guò)程和膜材料制備研究的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)有幾十家，并建立了國(guó)家液體膜工程研究中心和膜技術(shù)國(guó)家工程研究中心。從事膜分離設(shè)備和膜材料生產(chǎn)的企業(yè)已經(jīng)超過(guò)百家，并引進(jìn)了數(shù)條膜材料生產(chǎn)線，我國(guó)的膜工業(yè)已經(jīng)初步形成。

高分子功能膜的分類

　　 高分子功能膜材料有很多種，分類的方法也多種多樣，缺乏統(tǒng)一的規(guī)律。產(chǎn)生多種多樣的分類方式是基于研究目的、觀察角度不同，因而需要不同的歸類標(biāo)準(zhǔn)。從目前的資料來(lái)看，功能膜主要有以下幾種分類方式。①根據(jù)構(gòu)成膜的材料種類劃分有以無(wú)機(jī)碳材料或陶瓷材料為主的無(wú)機(jī)膜，以合成高分子材料為主的有機(jī)合成膜，天然高分子材料為主的天然有機(jī)膜和液體高分子材料在支撐材料上形成的液體膜等。②根據(jù)使用功能劃分，包括用于混合物分離的分離膜，用于藥物定量釋放的緩釋膜，起分隔作用的保護(hù)膜。③根據(jù)被分離物質(zhì)性質(zhì)不同，有氣體分離膜、液體分離膜、固體分離膜、離子分離膜、微生物分離膜等。④根據(jù)被分離物質(zhì)的粒度大小分成反滲透膜(Reverse osmosis RO or Hyperfiltration HF)、納濾(Nanofiltration NF)膜、超濾(Ultrafiltration UF)膜、微濾(Microfiltrtion MF)膜。⑤根據(jù)膜的形成過(guò)程劃分有沉積膜(Deposited film)、相變形成膜(Phase-inversion mem-brance)、熔融拉伸膜(Melt-extruded film)、溶劑注膜(Solvent-east film)、燒結(jié)膜(Sin-teredfilm)、界面膜(Interface film)和動(dòng)態(tài)形成膜(Dynamically formed membrance)。⑥根據(jù)膜結(jié)構(gòu)和形態(tài)不同還可以分成密度膜(Dense membrance)、乳化膜(Emulsion-typemembrance)和多孔膜(Porousmembrance)。下面根據(jù)后三種分類方法對(duì)幾種功能膜的分類依據(jù)加以介紹。

　　 (1)微濾(MicrofiltrtionMF)膜 微濾膜屬于多孔膜，主要應(yīng)用于壓力驅(qū)動(dòng)分離過(guò)程，膜孔徑的范圍在o．1～10 pm之間，孔積率約70％左右，孔密度約為109個(gè)／cm ，操作壓力在69～207 kPa之間。在工業(yè)上用于含水溶液的消毒脫菌和脫除各種溶液中的懸浮微粒，適用于濃度約為10％的溶液處理。其分離機(jī)理為機(jī)械濾除，透過(guò)選擇性主要依據(jù)膜孔徑的尺寸和顆粒的大小。制備方法有相轉(zhuǎn)變法(Phase-inversion process)、裂變碎片輻照(1rradiated bYfissionfragment)密度膜法、燒結(jié)(Sintered process)法和熔融拉伸(Melt-extruded)法等。

　　 (2)超濾(UltrafiltrationUF)膜 與微濾膜一樣，也屬于多孔膜，應(yīng)用于壓力驅(qū)動(dòng)。