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膜与膜过程_第三章_膜的表征(2)

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薄膜材料第三章薄膜沉积的物理方法.

薄膜材料第三章薄膜沉积的物理方法.
支撑加热材料 (蒸发舟)
电阻加热蒸发沉积装置
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
三、闪烁蒸发：
待蒸发材料以粉末形式被送入送粉机构，通过机械式或 电磁式振动机构的触发，被周期性少量输送到温度极高的蒸 发盘上，待蒸发材料瞬间蒸发形成粒子流，随后输运到基片 完成薄膜的沉积。 1、蒸发温度： 与电阻加热蒸发基本相同 (1500~1900 ℃)。 2、主要改进： 解决了薄膜成分偏离源材料组分的问题！ 3、应用场合： 制备蒸发温度较低的半导体、金属陶瓷和氧化物薄膜。 4、主要问题： 蒸发温度依然有限； 待蒸发材料是粉末态，易于吸附气体且除气难度较大； 蒸发过程中释放大量气体，易导致“飞溅”，影响成膜质量。
2、主要优点：
与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； 加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
3、主要问题：
电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质量。
电弧加热蒸发装置示意图
4、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜 (如DLC薄膜)。
薄膜材料
3 薄膜沉积的物理方法
薄膜 沉积 的 物理 方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD （离子镀、IBAD 、IBD 等） 分子束外延 ( MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE ，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE ，Hot Wall Epitaxy )

超滤技术

超滤技术

滤后浓缩液的最终体积（质量）的比率． 全过滤：通过往浓缩液中加入溶剂来实现分 离的过程．（连续和间歇）
第二章 超滤膜
超滤膜的分类
按膜材料的化学组成 膜的物理形态 膜的制备方法
按膜材料超滤膜可以分为


有机高分子材料
无机材料
有机高分子材料


纤维素酯类
聚砜类 聚烯烃类 含氟类材料 其他高分子材料
浇铸膜
核径刻蚀膜
第三章 膜的结构和性能表征
膜的形态结构
超滤膜的性能表征 超滤膜的选择
膜的形态结构
由不对称工艺（L—S）法制得的超滤膜具有不
对称性。在制膜时，与空气接触的一侧是厚度 为0.1—0.25微米的致密层，其下部是0.1—0.2 毫米的多孔支撑层。通过调节凝胶时沉淀剂与 溶剂的交换速度可以制得指状孔结构和海绵状 孔结构的膜。指状孔结构对流体的阻力小，透 水速率较高，但抗压密能力较差，而海绵状孔 的情况则相反。
构的标准物质的缓冲溶液和水溶液来测定膜 对这些标准物质的截留率，然后做截留率-相 对分子量的曲线
截留率与标准物的关系
理想膜
截留率
真实膜
截留分子量的测试的条件
压力为100KPa
温度为25℃ 尽可能大的流速
低的溶质浓度（‹0.1%）
为减小浓度的变化，透过液的损失量小于
10%，对于错流过滤，透过液和浓缩液回料 液槽 所测试的膜应该是新的
是目前用的较多的膜材料。
含氟类材料
PVDF、PTFE
这类材料制备的超滤膜是品质最好的膜，有
优良的机械强度和耐高温、耐化学侵蚀性。 使用温度范围广，可在强酸、强碱和各种有 机溶剂条件下使用

薄膜的形成与生长.

薄膜的形成与生长.

是10-13～10-12秒 ED：表面扩散能 k ：玻耳兹曼常数 T ：绝对温度
薄膜的形成与生长
平均表面扩散距离：吸附原子在表面停留时间经过扩散 运动所移动的距离
x ( D a )1 2
D：是表面扩散系数 a：气相原子在基体表面上的平均停留时间
薄膜的形成与生长
用a0表示相邻吸附位置的间隔
薄膜的形成与生长
从蒸发源入射到基体表面的气相原子到达基片表面之后可能 发生如下三种现象： (1) 与基体表面原子进行能量交换被吸附 (2) 吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停 留后再解吸蒸发(再蒸发或二次蒸发) (3) 与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射 回去。 用真空蒸发法制备薄膜时，入射到基体表面上的气相原 子中的绝大多数都与基体表面原子进行能量交换形成 吸附
一、 吸附过程
一个气相原子入射到基体表面上，能否被吸附，是非常复杂的问 题
固体表面与体内在晶体结构上的主要差异是什么？ 原子或分子间结合的化学键在固体的表面中断。原子或分子 在固体表面形成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键. 固体表面上的原子或分子受到的力是不平衡的，这使得固体 表面具有表面自由能
薄膜的形成与生长
真空蒸发镀膜中，入射到基体表面的气相原子将被悬挂键吸 引住，发生吸附作用。根据吸附原子与表面相互作用力性质 的不同，发生物理吸附或化学吸附
思考：发生吸附后，表面自由能增大还是减小？ 思考：物理吸附与化学吸附有哪些区别？
薄膜的形成与生长
当入射到基体表面的气相原子动能较小时，处 于物理吸附状态，其吸附能用Qp表示。
吸附原子的表面扩散运动是形成凝结的必要条件
在表面扩散过程中，单个吸附原子间相互碰撞形成原子对之 后才能产生凝结

第三章薄膜材料的制备

第三章薄膜材料的制备

(6) 特殊蒸发方法—化合物和合金材料

a.闪蒸蒸发 又称瞬间蒸发，把薄膜 材料做成细小颗粒或粉 末状，通过一定装置使 其以极小的流量逐渐进 入高温蒸发源。使每个 颗粒都在瞬间完全蒸发， 以保证薄膜的组分比例 与合金相同。
闪蒸蒸发设备示意图

b．多源蒸发 将合金薄膜所需的元素各 自置于单独的蒸发源中， 同时加热，并独立控制各 蒸发源的温度，以使薄膜 的组分比例满足合金要求。 要求各蒸发源参数能独立 控制和指示，蒸发源间分 隔开，避免相互污染。

六硼化镧薄膜的电子束蒸发法制备 基底选用玻璃和钽片, 使用的设备为南光H44500-3 型超高真空镀 膜机。基底固定在一个不锈钢底座上, e型电子枪为加工的块状 LaB6 , 用来代替原设备中的钨阴极, 试验装置的基本结构如图。 实验过程中冷阱中持续添加液氮, 真空度控制在8×105~3×10- 4Pa 之间, 电子束加速级电压控制在4500V 左右, 电 流为80mA, 蒸发时间为15min 。蒸发过程中通过控制电子束能 量来实现对多晶材料蒸发速率的控制, 通过蒸发时间来控制蒸发薄
一、薄膜和薄膜材料分类
1、薄膜材料的概念

采用一定方法，处于某种状态的一种或几种物质 (原材料)的基团（离子、原子或分子）以物理或 者化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表 面形成一层新的物质，这层新物质就称为薄膜。

简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过 程形成的二维材料。
2、薄膜的基本特征
多源蒸发装置示意图

c.反应蒸发(属化学成膜) 把活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子与来自 蒸发源的原子、分子在衬底表面反应，生成所需化合物。 这种方法在制作高熔点 化合物薄膜时经常被采 用。 例如：在空气或氧气中 蒸发Si来制备SiO2薄膜

课程名称膜与膜过程原理

课程名称膜与膜过程原理

课程名称：膜与膜过程原理Principles of Membranes and Membrane Processes（English-Chinese Bilingual Teaching）一、课程编码：1000014课内学时： 32 学分： 2二、适用专业：化学工程、化学工艺、环境工程、生物化工、制药工程、能源化工和应用化学等专业。

三、先修课程：物理化学，化工原理、有机化学等。

四、教学目的：通过本课程的学习，使研究生：1、了解膜科学技术在化学工程与技术领域中的地位与作用，及其国内外发展动态；2、理解膜分离过程的物质和热量传递基础理论；3、了解膜材料的选择/设计原则，理解成膜机理，熟悉制膜工艺和膜材料表征手段；4、掌握典型膜分离过程的原理、计算方法、设备传质特性及工艺；5、了解新能源、生物医学工程、航天、国防等领域中的膜技术。

五、教学方式：包括课堂讲授、课堂讨论与学生课外自学。

其中，课堂讲授主要采用多媒体教学手段。

六、教学主要内容及对学生的要求：1. 导论 2学时1.1膜技术特点1.2膜科学与技术的历史、现状和展望2. 膜分离原理与传递机理 4学时2.1膜过程分类及其分离原理微滤、超滤、纳滤、反渗透、正渗透、电渗析、渗透汽化、膜蒸馏、气体分离2.2膜外传递现象2.3膜内传递机理2.4膜过程污染机制及防治措施3. 膜材料与膜制备 8学时3.1分离膜材料及其物理化学性质3.2分离膜成膜机理及制膜工艺3.3膜结构表征与性能评价3.4膜材料表面修饰4. 膜蒸馏 4学时4.1分类及操作模式4.2热、质传递理论与模型4.3装置及其应用4.4 面临的挑战及发展前景5. 膜基气体吸收及气体膜分离 2学时5.1膜吸收原理及膜接触器5.3气体分离膜材料设计理论与方法6. 膜催化过程 2学时6.1催化膜反应器6.1渗透汽化膜反应器6.3膜生物反应器7. 膜组件及膜分离工艺 2学时7.1分离膜组件7.2膜分离工艺设计原则7.3膜系统集成与优化8. 电池用膜材料 4学时8.1燃料电池分类及系统8.2 聚合物质子交换膜8.3 锂离子电池及其隔膜8.4 聚电解质膜9. 新型分离膜和膜过程 4学时9.1生物医用膜及透析9.2智能膜及控制释放9.3膜传感器9.4离子交换膜与电去离子七、考核与成绩评定成绩以百分制衡量。

《膜表征方法简介》课件

《膜表征方法简介》课件
1 扫描电子显微镜(SEM)
观察膜表面形貌。
3 四峰分子量分析器(GPC)
确定膜材料的料的热性能。
4 X射线衍射(XRD)
分析膜材料的晶体结构。
膜表征在实际中的应用
自来水厂过滤
使用膜技术过滤水源， 提高水质。
医疗器械的细菌 过滤
利用膜过滤器去除细 菌和微生物。
电子产品的保护 膜制造
膜表征用于生产电子 产品保护膜，提高产 品质量。
超滤过滤的葡萄 酒高效制造
应用膜过滤技术加快 葡萄酒的制造过程。
结论
必要步骤
膜表征是了解和改进膜性能 的必要步骤。
选择和发展
目前有许多膜表征方法可供 选择，每种方法都有其独特 的优点和缺点。
不断进步
随着膜技术的发展，膜表征 方法也会不断进步和发展。
膜表征方法简介
膜表征是对膜性能的评估和分析过程，帮助了解膜的特性和改进表现。
什么是膜表征
膜表征是对膜性能的评估和分析过程，帮助了解膜的特性和改进表现。
膜表征的分类
物理性能测试
空气透过率，液体渗透率，电导率与电阻率， 厚度，表面积和孔径大小。
化学性能测试
稳定性决定，毒性试验，生物相容性。
膜表征方法

膜和膜分离过程的分类和基本特性

膜和膜分离过程的分类和基本特性

板式膜分离器（实验室用）
中空纤维膜分离器（实验室用）
板式膜分离器（实验室用）
Millipore公司板式膜分离器（实验室用）
中空纤维膜分离器（工业用）
卷式膜分离器（工业用）
1. 何谓膜分离？主要有那几种膜分离方法？
2. 膜在结构上可分为那几种？膜材料主要用什么？
思
3.简述微滤、超滤膜、反渗透膜在膜材料、结构、性
以上沉淀溶于pH值为7.6、2.5μmol／L的 K2HPO4-KH2PO4缓冲液中，用离心法除去 杂质，收集上清液准备上柱。
操作步骤
• 先把DEAE-Sephadex A-50装入3×40厘米 的柱中，用pH值为7.6、2.5微摩尔／升的缓 冲液上柱，等流出液的pH值为7.6时，然后 将样品上柱，用pH值7.6、2.5微摩尔／升～ 50微摩尔／升的缓冲液进行梯度洗脱(洗脱液 浓度从2.5微摩尔／升开始逐渐加大至最终浓 度达50微摩尔／升，这样便形成一个洗脱梯 度)，收集具有SOD的活性峰。
（二）反渗透（RO或HF）
1.优点 • 相态不变，无需加热，设备简单，能耗低。 2.膜的特性 • 透水率、透盐率、抗压性等。 3.应用 • 海水脱盐，食品医药的浓缩，超纯水的制造等。 4.膜材料 • 醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜、
无机质膜等。
（三）超滤（UF）
1.概念 • 凡是能截留分子量在500以上的高分子的膜
五、膜的应用
（一）膜组件结构与特点 1.管式 • 特点：无死角，易清洗；处理含固体较多 的料液；单根管子可以调换。 • 缺点：保留体积大；单位体积中所含过滤 面积较小，压力降大。
2. 中空纤维式
• 保留体积小; • 单位体积中所含过滤面积大; • 可以逆洗; • 料液需要预处理; • 单根纤维损坏时，需调整整个模件。

膜技术手册(上、下册)(第二版)

膜技术手册(上、下册)(第二版)

膜技术手册（上、下册）（第二版）加入书架登录•膜技术手册（上册）（第二版）•书名页•内容简介•《膜技术手册》（第二版）编委会•本版编写人员名单•第一版编写人员名单•前言•第1章导言•1.1 膜和膜分离过程的特征•1.2 膜和膜过程的发展历史•1.3 膜•1.4 膜分离过程•1.5 应用总览•1.6 现状与展望•参考文献•第2章有机高分子膜•2.1 高分子分离膜材料•2.2 有机高分子分离膜的制备•2.3 有机高分子分离膜的表征•符号表•参考文献•第3章无机膜•3.1 引言•3.2 无机膜的结构与性能表征•3.3 无机膜的制备•3.4 无机膜组件及成套化装置•3.5 无机膜在分离和净化中的应用•3.6 无机膜反应器•符号表•参考文献•第4章有机-无机复合膜•4.1 有机-无机复合膜简介•4.2 有机-无机复合膜材料•4.3 有机-无机复合膜的制备•4.4 有机-无机复合膜界面结构调控与传质机理•4.5 有机-无机复合膜的应用•4.6 展望•符号表•参考文献•第5章膜分离中的传递过程•5.1 引言•5.2 膜内传递过程•5.3 膜外传递过程•5.4 计算机模拟在膜分离传递过程中的应用•符号表•参考文献•第6章膜过程的极化现象和膜污染•6.1 概述［1］•6.2 浓差极化•6.3 温差极化•6.4 膜污染•符号表•参考文献•第7章膜器件•7.1 膜器件分类•7.2 板框式•7.3 圆管式•7.4 螺旋卷式•7.5 中空纤维式•7.6 电渗析器•7.7 实验室用膜设备•7.8 膜器件设计中应考虑的主要因素•7.9 膜器件的特性比较与发展趋势•7.10 膜器件的规格性能和应用•符号表•参考文献•第8章反渗透、正渗透和纳滤•8.1 概述•8.2 分离机理•8.3 膜及其制备•8.4 膜结构与性能表征•8.5 膜组器件技术［8，43］•8.6 工艺过程设计•8.7 系统与运行•8.8 典型应用案例•8.9 过程经济性•8.10 展望•符号表•参考文献•第9章超滤和微滤•9.1 超滤概述•9.2 超滤膜•9.3 超滤膜组件与超滤工艺•9.4 超滤工程设计•9.5 超滤装置的操作参数•9.6 超滤系统的运行管理•9.7 超滤技术的应用•9.8 微滤•9.9 微孔膜过滤的分离机理•9.10 微孔滤膜的制备•9.11 微孔滤膜的结构和理化性能测定•9.12 微孔膜过滤器•9.13 微孔膜过滤技术的应用•符号表•参考文献•膜技术手册（下册）（第二版）•书名页•内容简介•第10章渗析•10.1 概述•10.2 渗析膜•10.3 渗析原理和过程•10.4 渗析膜组件设计•10.5 渗析的应用•符号表•参考文献•第11章离子交换膜过程•11.1 概述•11.2 基础理论•11.3 离子交换膜制备•11.4 离子交换膜装置及工艺设计•11.5 离子交换膜应用•11.6 离子交换膜过程发展动向•符号表•参考文献•第12章气体膜分离过程•12.1 引言•12.2 气体分离膜材料及分离原理•12.3 气体分离膜制造方法•12.4 相转化成膜机理•12.5 气体分离膜结构及性能表征•12.6 膜分离器•12.7 分离器的模型化及过程设计•12.8 应用•符号表•参考文献•第13章气固分离膜•13.1 概述•13.2 气固分离膜材料与制备方法•13.3 气固分离原理•13.4 气固分离膜的性能评价•13.5 气固分离膜装备•13.6 典型应用案例•符号表•参考文献•第14章渗透汽化•14.1 概述•14.2 基本理论•14.3 渗透汽化膜•14.4 渗透汽化膜器•14.5 过程设计•14.6 应用•14.7 回顾与展望•符号表•参考文献•第15章液膜•15.1 引言•15.2 概述•15.3 乳化液膜•15.4 支撑液膜•15.5 Pickering液膜•15.6 液膜应用•15.7 液膜新进展•符号表•参考文献•第16章膜反应器•16.1 概述•16.2 面向生物反应过程的膜生物反应器•16.3 面向催化反应过程的多孔膜反应器•16.4 面向气相催化反应过程的致密膜反应器•符号表•参考文献•第17章膜接触器•17.1 膜接触器概述•17.2 膜萃取•17.3 膜吸收•17.4 膜蒸馏•17.5 膜脱气•17.6 膜乳化•17.7 膜结晶•符号表•参考文献•第18章控制释放与微胶囊膜和智能膜•18.1 控制释放概述•18.2 微胶囊膜•18.3 智能膜•参考文献•第19章典型集成膜过程•19.1 基于多膜集成的制浆造纸尾水回用技术•19.2 基于膜集成技术的抗生素生产新工艺•19.3 双膜法氯碱生产新工艺•19.4 基于膜技术的中药现代化•19.5 基于反应-膜分离耦合技术的化工工艺•19.6 结束语•参考文献•缩略语表•索引是否关闭自动购买？关闭后需要看完本书未购买的章节手动确认购买。

《膜表征方法简介》课件

《膜表征方法简介》课件
详细描述
渗透性能的测量通常采用实验测试的方法，如压力驱动渗透实验、扩散系数测定等。这些方法可以提供膜在不同条件下的渗透性能数据，有助于优化膜的使用条件，提高膜的分离效果和使用寿命。
化学成分的测定是了解膜材料特性和性能的基础，对于优化膜的制备工艺和使用效果具有重要意义。
总结词
化学成分的测定可以采用光谱分析、质谱分析、色谱分析等方法。这些方法可以提供膜中各元素的含量和分布情况，有助于了解膜材料的化学特性和物理性能，进一步优化膜的制备和使用过程。
高分辨率、观察细节
总结词
电子显微镜法具有高分辨率，能够观察膜的表面形貌和微观结构，提供更丰富的信息。该方法可以观察膜的孔洞、裂缝等细节，对了解膜的性能和结构具有重要作用。
详细描述
总结词
无损检测、确定晶体结构
详细描述
X射线衍射法是一种无损检测方法，通过测量X射线通过膜时的衍射角度，确定膜的晶体结构和相组成。该方法适用于各种类型的膜材料，能够提供膜材料的晶体结构和相变信息。
分类
膜表征方法对于了解膜材料的性能、结构和形态具有重要意义，有助于优化膜分离过程和提升膜材料的应用效果。
膜表征方法广泛应用于能源、环境、生物医药和食品等领域，如燃料电池、海水淡化、生物分离和食品加工等。
应用领域
重要性
发展趋势
随着科技的不断进步，膜表征方法正朝着高精度、高分辨率、高效率和智能化方向发展，同时与其他技术的交叉融合也将为膜表征带来新的突破。
总结词
孔径分布的测量是评估膜孔结构和性能的关键手段，对于了解膜的过滤性能和使用效果具有重要意义。
孔径分布的测量可以采用气体吸附法、压汞法、示差扫描量热法等方法。这些方法可以提供膜孔径分布的详细数据，有助于优化膜的孔结构，提高膜的过滤精度和通量。

膜与膜过程_第三章_膜的表征

膜与膜过程_第三章_膜的表征

随压力的增加，小孔逐渐被充 满，直到所有孔均被充满，此 时压入的汞体积达最大值。 由各压力下汞进入膜样品的累 积体积，从而可得孔径－孔百 分比的累积曲线，微分后则可 得孔径分布曲线。 汞注入法既可测定孔径，也可 测定孔径分布。

汞注入法实验中累积体积 随压力的变化

压汞法也可测膜的空隙率，即低压和高压下本体 体积之差为空隙体积，空隙体积与低压下本体体 积之比为空隙率。
① 气体吸附-脱附法
气体咐附-脱附法是常见的测定多孔材料中孔径和孔径分 布的方法。 在不同的相对压力（实际压力与饱和压力之比）下，测定 一惰性气体的等温吸附和脱附线， 通常采用氮气为吸附气体，实验在液氮沸点（压力为1bar） 下进行。等温吸附从较低的相对压力开始，在某一最小压 力下，最小的孔被液氮充满（最小孔半径约为2nm），随 着压力上升，较大的孔被充满，当压力接近饱和压力时， 所有孔均被充满。 根据接近饱和压力下吸附气体的量，可以确定总的孔体积。 从饱和压力开始逐渐降低压力，发生脱附。脱附曲线通常 并不与吸附曲线重合。



膜过程包含各式各样的分离问题，具体过程需要用到某种 特定的膜，因此膜的结构和功能表现也很大的差异。 更好地理解分离过程并能对一特定分离所需要的膜结构做 出可能的预测，需要对膜结构与传递现象之间的关系进行 研究 。 确定对特定分离任务可选用的膜。成膜参数中某一参数的 细小变化都可能改变膜（皮层）结构，进而显著影响膜性 能。重复性也是常见的问题。 将孔径、孔径分布、自由体积和结晶度等膜的结构性质与 膜的分离性能进行关联。 膜生产者给出的关于膜性能的信息，如膜截留、孔径、孔 径分布等信息缺乏可比性。 通过膜表征测量将获得预测具体应用中膜的性能信息。通 过膜的表征可以确定给定膜的结构和形态特性。对于制成 的膜，不管其结构怎样，首先要采用简单的方法对其形态 进行表征。

膜与膜过程-膜的传递机理PPT精选课件

膜与膜过程-膜的传递机理PPT精选课件

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3RTL
Pr
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2RT
M
1
2
其中M为气体的分子量，Dk为Knudson扩散 系数，n为孔数目，τ为曲折因子。
10
气体通过膜孔流量与其分子量平方根 成反比，则分离效果与与其分子量平 方根成正比。因此只有对分子量相差 大的气体具有明显分离效果。
11
5.1.4 表面吸附扩散和毛细管冷凝
kcSc2 (1 c )2 c Rc
Rc

Kc (1 c )2 Sc2 c

3 c
其中各符号的意义同膜部分。 此筛孔机理适于微滤和超滤。
8
5.1.2 粘流模型（适于r/λ>5）
适应于气体分子，在此范围内孔内分子的流动受分子碰撞作 用支配，为粘性流动。符合Hargen-Poiseuille定律。气 体通过单位面积的流量q为：
1．杜南(Donnan) 平衡：是离子交换膜与相接 触溶液间离子分布不均的问题，下图为杜南平衡 示意图
23
据质量作用定律：（c1+x）x=(c2－x)2
[Cl ]s [Cl ]m

c1 c2 c2
c1>>c2时，溶液中NaCl几乎不进入膜相
c1<<c2时，NaCl在膜和溶液中几乎相等
具体的势函数，摩擦力系数，单孔的脱盐 率，膜孔中的流速分布，膜的脱盐率，产 水量等表达式较复杂，可参见Sourirajan 有关著作。(膜科学与技术1984年专刊）
19
5.2 无孔膜分离和传递模型
5.2.1 溶解扩散模型
这主要应用于无孔膜，如对水溶液－半透膜体系。

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② 扫描电子显微镜原理
➢ 一束动能为1~25kV的入射 电子（又称为一次电子）撞 击在膜试样上，从试样表面 原子中撞击出二次电子，这 些二次电子在检测器的屏幕 上形成一定的图象。
➢ 为避免试样被烧坏，可在表 面上覆盖一层导电层防止表 面带电，通常 用金制薄层， 即喷金。
➢ 样品的制备：对于潮湿试样 的干燥，为防止毛细管力造 成膜结构破坏，可采用冷冻 单元，或在干燥前用低表面 张力液体替换膜中的水。
二极管激光器发出的激光束经 过光学系统聚焦在微悬臂背面， 并从微悬臂背面反射到由光电 二极管构成的光斑位置检测器。 在样品扫描时，由于样品表面 的原子与微悬臂探针尖端的原 子间的相互作用力，微悬臂将 随样品表面形貌而弯曲起伏， 反射光束也将随之偏移，因而， 通过光电二极管检测光斑位置 的变化，就能获得被测样品表 面形貌的信息。
➢ 大孔： 孔径>50nm
➢ 中孔：2nm<孔径<50nm
➢ 微孔：孔径<2nm
➢ 多孔膜的表征方法可分为两种：
➢ 结构相关参数：确定孔径，孔径分布，皮 层厚度和表面孔隙率。
➢ 渗透相关参数：通过溶液被膜或多或少地 截留，确定实际分离参数（截留测定）
3.3.1、多孔膜的表征
➢ （1）微滤膜 ➢ 电子显微镜 ➢ 原子力显微镜 ➢ 泡点法 ➢ 气体渗透泡点法（湿干流动法） ➢ 汞注入法 ➢ 渗透率法
扫描电子显微镜原理
➢ 扫描电子显微镜是 用于表征微滤膜的 简单而有效的仪器。 对表层、横断面和 底层可得到清晰又 简洁的图象。另外 根据照片可以确定 孔隙率和孔径分布。SEM法观（察放到大的倍聚数醚30酰00胺）膜的表层
③ 原子力显微镜（AFM）
➢ 原子力显微镜是用来表征膜表面的一种新 方法。直径小于10nm的非常尖的探针以恒 定的力扫过被测表面时，探针顶部的原子 会与样品表面发生London-van der Waals 相互作用，通过检测这些力就可得到样品 表面的扫描结果。运用微悬臂，可以实现 在小于1nN（=10-9N）的很小的相互作用力 下检测，因此可以使用该方法检测像聚合 物这样软的表面。
➢ 原子力显微镜（AFM）是 一种检测表面结构的方法， 根据AFM图象的横截面可 以得到孔径及孔隙率，这 种方法的优点是试样无需 预处理，且可在大气条件 下进行测量，其缺点在于， 如表面粗糙会使检测结果 很难分析。此外，作用力 较大时有可能损坏聚合物 的结构。
UF膜表面扫 描示意图
④ 泡点法
➢ 泡点法是用来表征膜最
➢ 主要的结构方面，有均相，异相， ➢ 对称和非对称， ➢ 复合，镶嵌，拉伸取向，增强等整体结构； ➢ 有表层，皮层，过滤层，下层之分； ➢ 有孔径，孔径分布，孔隙率和孔的各种形状等
较精细的结构要素。
➢ 膜过程包含各式各样的分离问题，具体过程需要用到某种 特定的膜，因此膜的结构和功能表现也很大的差异。
➢ 不同的膜结构使膜具有不同的性能，同样不同性 能的膜也需求不同的相应结构。
➢ 了解膜的结构，膜的性能以及两者之间的关系， 显然是十分重要的。这可以指导制膜，制备所需 结构的膜，这可以预示膜结构与性能的关系，促 进膜的不断改进和提高。
3.2 膜结构
➢ 不同的膜，由于所用材料、制备工艺和后处理 等方面的不同，其结构各有差异。
➢ 膜根据是否有孔分类：多孔膜和无孔膜 ➢ 本章所讨论的膜的表征适用于多孔膜和无孔膜。
➢ 微滤/超滤膜中均存在固定的孔，可采用几 种方法表征。为避免在定义多孔腔时遇到的 混乱，对于微滤和超滤膜，均采用“多孔” 这个词，而不采用常用的“微孔”。多孔这 一与国际纯粹化学与应用化学联合会 （IUPAC）采用的定义更一致。
第三章 膜的结构和性能测试
3.1 概述 3.2 膜结构 3.3 膜结构的测定 3.4 膜的性能
3.1 概述
➢ 分离膜的表征内容包括膜的性能及其结构、形态， 研究膜的结构目的在于了解其与性能（主要是分 离性能）之间的关系，以此指导铸膜液组成及成 膜工艺条件的选择，从而不断地改进膜的笥能， 提高膜分离技术的经济效益，扩大其应用范围。
① 电子显微镜法
➢ 电子显微镜（EM）是用于膜表征的一种设备，可 以分成两种：扫描电子显微镜（EM）和透射电子 显微镜（TEM）。对于研究和表征微滤膜的多孔 结构，扫描电子显微镜更方便。也可以研究其它 不对称膜的结构。
➢ 简单电子显微镜的分辨率为0.01μm(10nm)，更高 级电子显微镜的分辨率可达5nm左右。微滤膜的 孔径为0.1~10μm
➢ 更好地理解分离过程并能对一特定分离所需要的膜结构做 出可能的预测，需要对膜结构与传递现象之间的关系进行 研究 。
➢ 确定对特定分离任务可选用的膜。成膜参数中某一参数的 细小变化都可能改变膜（皮层）结构，进而显著影响膜性 能。重复性也是常见的问题。
➢ 将孔径、孔径分布、自由体积和结晶度等膜的结构性质与 膜的分离性能进行关联。
➢ 由于水的表面张力很大，在测定小孔径膜时，需 要较高的压力差（孔半径分别为10和0.1μm时， 所需压力分别为0.14和14.5bar）。因此常用表面 张力低的液体。常用的标准液体为异丙醇。
➢ 对于给定膜，这种方法只能测定最大的活性孔， 因此成为表征微滤膜的标准方法。渗透率法和汞 注入法均属于泡点法的延伸。
大孔尺寸的一种简单方
法。这种方法主要是测
定空气吹过充满液体的
膜所需要的压力。过滤
器的上面与液体（如水）
接触，液体使膜润湿，
此时所有孔都充满液体，
过滤器底部与空气相连，
泡点法原理
。压力与孔半径之间
的关系由Laplace方程确 定。
rp为毛细管孔半径，m；
γ 为液体/空气界面的表面张力（N/m）
➢ 膜生产者给出的关于膜性能的信息，如膜截留、孔径、孔 径分布等信息缺乏可比性。
➢ 通过膜表征测量将获得预测具体应用中膜的性能信息。通 过膜的表征可以确定给定膜的结构和形态特性。对于制成 的膜，不管其结构怎样，首先要采用简单的方法对其形态 进行表征。
3.3. 膜的结构表征
➢ 膜的表征：不同范围的孔需要不同的表征方法。 孔径越小，表征越困难。