膜技术及其应用智能膜28页PPT

2 未来几年
薄膜技术有望获得持续健康发展，特别是在 光伏、新能源车等领域有着更加广阔的应用 前景。
薄膜技术与现代产业
未来汽车
薄膜技术和新能源汽车实现无 缝对接，开拓先进光伏材料、 电池材料、排放净化材料等领 域。
智慧建筑
薄膜技术的突破将逐步推动我 们的建筑前沿技术的发展，不 断提升建筑性能。
人工智能
应用价值
薄膜技术已经广泛应用于光电子、信息技术、太阳 能、新能源、生物医学等领域。
薄膜技术的分类
磁性材料薄膜技术
磁性材料薄膜技术主要应用于光信息存储材料、 记录材料、传感器等。
金属材料薄膜技术
金属材料薄膜技术主要应用为电阻器、电容器、 电化学传感器、防腐材料等。
半导体薄膜技术
半导体薄膜技术应用于太阳能电池、TFT-LCD、 半导体激光等。
碳基薄膜技术
碳基薄膜技术应用于涂覆材料、涂层材料、防 腐材料、石墨涂层等。
薄膜技术的应用
薄膜技术是当今最先进的材料技术之一。它的应用范围极为广泛。
太阳能行业
薄膜电池比晶体硅太阳电池更轻 薄，更灵活适应市场需求。
信息技术行业
薄膜技术在信息技术领域的应用 包括TFT-LCD、LED显示器、半导 体激光等。
《薄膜技术及应用》PPT 课件
本课程旨在探索薄膜技术的应用及未来展望。从光电子、信息技术、太阳能、 新能源、生物医学、材料科学六大行业入手，深入学习薄膜技术相关知识。
Hale Waihona Puke 么是薄膜技术？薄膜技术是指将材料制备成很薄的薄膜（通常小于1微米），然后进行加工和利用的技术。
制备工艺
薄膜技术的制备工艺包括溅射、化学气相沉积等多 种方法。
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新能源领域

/荷 兰 1 9 3 0 1 9 5 0 1 9 5 5 1 9 6 0 1 9 6 0 1 9 7 9 1 9 8
国家
德国 德国 荷兰 美国 美国 美国 美国 德国 德 国 /荷 兰
年代
1920 1930 1950 1955 1960 1960 1979 1981 1982
应用
实验室用（细菌过滤器） 实验室用 人工肾 脱盐 海水脱盐 大分子物质浓缩 氢回收 水溶液浓缩 有机溶液脱水
原理
RO membrane UF membrane
NF membrane MF membrane
原理 动漫
膜过程的一些术语
通量：在一定操作条件下，单位时间经过单位面积膜的体 积流量。单位L/m2.h
选择性：将混合物总的组分别分开来的才干。 1〕液体分别的选择性常用截留率表示： R＝1－Cp/Cf 2〕气体分别或有机溶剂混合物的分别常用分别因子表示
(PSA)
聚 聚砜(PS)、聚醚砜 (PES)微滤膜 具有良好的化学稳定性和热稳定性，
砜
耐辐射，机械强度较高。
含 聚偏氟乙烯膜(PVDF)、聚四氟 氟 乙烯膜(PTFE)、聚全氟磺酸 材 料
化学稳定性好，耐高温。如PTFE膜， －40～260oC，可耐强酸，强碱和各 种有机溶剂。具疏水性，可用于过滤 蒸气及腐蚀性液体。
Cf Cm Cp
浓差 膜层 浸透侧 极化层 极化层
膜过程的一些术语
传送阻力： 1〕膜阻Rm:与膜本身的构造有关，包含膜层到
支撑层的传送阻力； 2〕浓差极化阻力Rc：由于被截留组分在膜面
浓度的增大而引起的； 3〕推进力的损失：进料侧和浸透侧的压力损
失； 4〕膜污染阻力：由于物料中的成分对膜产生
化、膜萃取、膜蒸馏和膜反响等新膜过程的研讨，并

– 在较高温度下：kS>>hG
N GS 0
v
NT N Si
hGY
质量转移控制
– 在较低温度下：kS<<hG 表面反应控制
N GS N G 0
v
NT N Si
kSY
在高温段〔质量转移
控制〕生长速率受温 度影响小,便于控制 〔可为±10°C〕
– 3〕生长速率与衬底取向的关系 v<110>>v<100>>v<111> ?
– 1〕掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制
Nf
Pf 0
NSi (NSi/H)PG0
– 2〕生长速率和温度的影响 为什么温度升高会使浓度降低？
Silicon Vapor Phase Epitaxy Reactors
Exhaust
RF heating
Horizontal reactor
Gas inlet RF heating
2) Dissociation of reactants by electric fields
3) Film precursors are formed
4) Adsorption of precursors
RF field
RF generator Electrode PECVD reactor
7) Desorption of by-products
By-products
8) By-product removal
Exhaust
5) Precursor diffusion
into substrate
6) Surface reactions Continuous film

❖ 膜生物反应器污水处理技术 特点： ➢ 彻底除去水中的固体物质 ➢ COD、固体和营养物可以在一个单元内除去 ➢ 出水无须消毒 ➢ 高负荷率，能量利用率高 ➢ 氧利用率高 ➢模块化/升级改造容易
Wehrle Werk AG公司流程
膜生物反应器
工艺性能 ➢ 进水COD在15000mg/L以上时，COD几乎完全被 去除。 ➢ HRT（水力停留时间）
❖膜反渗透海水淡化
➢世界淡化水日产量3000万吨，世界人口1/50的地区靠淡 化水生存和发展。
➢沙 特 膜 法 海 水 淡 化 设 备 能 力 为 5.68 万 m3/d ， 含 盐 量 43700mg/m3，脱盐率99.7% ➢生产成本4~5元/吨 ➢我国“十五”计划专项，总投资25亿元人民币建膜反渗 透海水淡化装置。
CH4，C2H6
CO2
膜法与传统方法比较
传统方法
设备庞大 投资高 运行费用大 海上天然气开采无法实现
膜法
占地少 投资省 成本低 可用于海上天然气开采
2. 体积能量密度低，(33.936 MJ/m3，为汽油的22%)， 运输困难，——低成本转化成液体燃料(Gas To Liquid)
技术路线：
天然气 占总成本60% 合成气
➢我国七亿人饮用水大肠杆菌超标 ➢1.7亿人饮用有机物污染的水
解决的方法—采用微滤、超滤膜净化使之成合 格的引用水：
除去细菌 除去有机物：苯、苯酚、氯仿等 除去硫酸盐、亚硝酸盐 除重金属离子：Pd、Hg、Al、Fe、Mn等。
0.2mm陶瓷膜处理地表水前后的水质表
水质指标 浊度/NTU 有机物含量/mg(O2)L-1 Al/mgL-1 Fe/mgL-1 Mn/mgL-1 细菌(20oC, 37oC)

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⑵光学薄膜 减反射膜、反射膜、分光镜、滤光片； 照明光源所用的反热镜与冷光镜薄膜； 建筑物、汽车等交通工具所用的镀膜玻璃； 激光唱片与光盘中的光存储薄膜； 集成光学元件所用的介质薄膜与半导体薄膜。
ANTI-REFLECTION CHART
three layers
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⑶硬质膜、耐蚀膜、润滑膜 ⑷有机分子薄膜 ⑸装饰膜 ⑹包装膜
薄膜材料是采用特殊的方法，在体材料的表面沉 积或制备的一层性质与体材料性质完全不同的物质 层。
薄膜材料往往具有特殊的材料性能或性能组合。
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薄膜材料科学成为材料科学中发展最迅速分支 的原因：
(1)现代科学技术的发展，特别是微电子技 术的发展，过去需要众多材料组合才能实现的 功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成 电路板就可以完成。薄膜技术正是实现器件和 系统微型化的最有效的技术手段。
刀具表面氮化物、氧化物、碳化物镀膜
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薄膜材料学涉及的内容： (1)薄膜材料的制备手段； (2)薄膜材料的形核与生长理论； (3)薄膜材料的表征技术； (4)薄膜材料的体系、性能及应用。
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• High performance Nano-FETs • Nano-Optoelectronic Devices • Photodetectors • Nano LEDs • Sensors • Solar cell
SiGe：H、a-SiC：H、a-SiN：H、a-Si/a-SiC等一 系列晶态与非晶态超晶格薄膜。
C-V Characteristics of GaAs/AlGaAs ure showing capacitance Oscillations Associated

无弹性、脆、不适用于热强碱体系
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第三节 分离膜的制备
膜的制备工艺有化学的和物理的方法或 者二者结合。西村正人从高分子材料的选 择和膜材料的化学结构方面，总结出具有 分离孔径膜的10种化学方法和9种物理方 法。
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•10种化学方法
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•9种物理方法
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一、均质对称膜的制备
[
孔径范围较宽，超滤、微
滤；
疏水性，易被溶质污染 聚 苯 醚 砜 [
CH3
C
O
CH3
O
O
S
O
O
S
O ]n
O
O
O
S
O
O
S
]n
O
]n
O ]n
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3、聚酰胺类膜
[ NH [ NH
O
O
C NHNH C
]n
O C NH
O NH C
O NH C
O C]n
反渗透复合膜，多孔、力学强度和热稳定性 良好、pH（3-11）；对氯离子抵抗能力差， 易受蛋白质污染
对称膜是指膜主体具有均一的结构。
1. 致密均质膜
•溶剂浇铸法
适于可溶性聚合物，将聚合物用溶剂溶解，然后用 刮刀或压延辊将聚合物溶液刮在平整的玻璃板或不锈 钢板上，然后让溶剂挥发，对不同的聚合物找到合适 的溶剂是关键。
•挤压法
适于不溶于溶剂的聚合物，将聚合物置于两 加热板间，加热温度在聚合物软化点以上， 在高压下保持一段时间，冷却即可。
膜在分离过程中具有如下功能物质的识别与透过使混合物中各组分之间实现分离的内在因素界面膜将透过液和保留液料液分为互不混合的两反应场膜从表面到孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团通过物理作用化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度推动力膜过程压力差反渗透超滤微滤纳滤气体分离电位差电渗析膜电解浓度差透析膜传感器温度差膜蒸馏化学反应化学反应膜四膜分离过程的分类10五膜分离的应用领域化学染料工业脱氧氧化酯化皂化磺化硝化脱氢反应中液体的分离纯化甘油己内酰胺苯染料活性剂等有机化工原料的回收汽车仪表及其它工业涂漆的浓缩回收11苹果梨草莓橙芒果桃梅李柠檬等果汁的澄清除菌过滤苹果梨凤梨草莓橙芒果桃梅李柠檬等果汁的脱水浓缩豆蛋白乳清蛋白白蛋白单糖多糖溶液的澄清与浓缩蔬菜抽提汁西红柿汁的脱水浓缩12抗生素维生素有机酸氨基酸酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素维生素有机酸氨基酸等发酵液的蛋白剔除抗生素氨基酸维生素有机酸酶多糖蛋白质的纯化与浓缩其他相关的脱盐浓缩澄清除菌蛋白剔除细胞收集等分离过程13粉碎过程中磷酸盐氧化镁二氧化钛碳粉水泥碳酸钙的回收干燥过程中pvc二氧化硅活性碳肥料等的回收其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程14水处理?饮用纯水的制备?医药工业中注射用水洗瓶水及其他无菌水的制备?电子工业中超纯水的制备?火力发电厂锅炉补给水的制备?饮料与化妆品工业中产品配方用水的制备?饮用水纯化苦碱水脱盐海水淡化?废水循环与再生利用零排放?染料颜料油漆含油废水的处理?纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收?金属食品皮革农药和除草剂废水的处理?纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用15六国内膜分离技术主要应用?海水淡化?污水再生?净化水16一高分子膜高分子膜的性能与高分子材料的特性密切相关高分子的结构特征由以下因素决定?相对分子量

在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
3）控制蒸发沉淀
控制蒸发沉淀是将聚合物溶解在一个溶剂 和非溶剂的混合物中（这种混合物作为聚合物 的溶剂）。由于溶剂比非溶剂更容易挥发，所 以蒸发过程中非溶剂和聚合物的含量会越来越 高，最终导致聚合物沉淀并形成带皮层的膜。
①平板式组件； ②管式组件； ③毛细管组件； ④中空纤维组件； ⑤螺旋卷式组件。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
一、平板式膜组件
平板式膜 组件，又 叫板框式 膜组件， 结构类似 于板框式 压滤机。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
膜的定义
膜从广义上可以为两相之间的一个不连续区间。 这个区间的三维量度中的一度和其余两度相比 要小很多。膜一般很薄，厚度从几微米、几十 微米至几百微米之间。而长度、厚度则以米计。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
2）蒸气相沉淀
将由聚合物和溶剂组成的刮涂薄膜置于被 溶剂饱和的非溶剂蒸汽气氛中。由于蒸气相中 溶剂浓度很高，故防止了溶剂从膜中挥发出来。 随着非溶剂渗入到刮涂的薄膜中，膜便逐渐形 成。利用这种方法可以得到无皮层的的多孔膜。 在浸没沉淀法中，有时采用在空气中蒸发的步 骤，如溶剂与水互溶，此时会产生蒸气相沉淀。 用浸没沉淀法制备中空纤维膜时，常采用蒸发 步骤，此时溶剂与蒸汽相非溶剂交换而导致沉 淀。

2. 聚砜类膜材料
聚砜结构中的特征基团为 ，SO为了引入亲水基团， 常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，O 用氯磺酸进行磺化。
聚砜类常用的制模溶剂有：二甲基酰胺、二甲基乙 酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。
特点：具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很 高，PH值使范围为1-13，最高使用温度达120℃， 抗氧化性和抗氯性都十分优良，可用作超滤和微滤膜材 料。
水洗
后处理
非对称膜
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特点： 可制备多孔膜，也可制备致密膜 大多数的工业用膜采用相转化法制备
关键技术： 均一溶液的制备 控制相转化的过程以控制膜的形态
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5. 复合膜化法
先制备多孔支撑膜 再制备致密膜，两种膜用机械法复合 将第二种聚合物溶液滴加在多孔膜表面 将制备第二种聚合物的单体溶液沉积在多孔膜表面， 引发聚合 在多孔膜表面沉积一层缩聚单体，与另一双官能团 单体缩聚
4. 膜分离装置简单、操作容易、制造方便，不产生二 次污染；易于实现自动化。
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4.1.3 高分子分离膜的定义与分类
所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之 间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的 两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。 膜的特性： 有两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触 膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种 物质透过，而不允许其它物质透过。
O C
n
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类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：
[ NH [ NH
O
O
C NHNH C
]n
O C NH
O NH C

膜的孔径、孔径分布、孔隙度
膜通量
即膜的处理能力（即溶剂透过膜的速率）是膜分离 中的重要指标，一般用膜的渗透通量来表示。它是指单 位时间、单位膜面积上透过溶液的量，对于水溶液体系， 又称透水率或水通量。
截留率和截留分子量
被截流物质的量占料液中含有的截流物质总量的百 分率，称为膜的截留率，它表示了膜对溶质的截留能力。
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关闭程序
1、清洗周期结束后, 切断循环泵, 然后切断 进料泵。
2、关闭阀组件进出口阀, 保证膜的润湿性。 注: 一旦膜已变湿了, 就应保持其湿性, 这 可保证膜的完好性。
3、关闭进料泵及所有的阀。 4、过滤器已清洗好后, 清洁加工流体, 即可
启动操作。
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膜的消毒
为了防止在生产过程中由膜组件 带入杂菌，可在清洗罐中配制0.25% W/W 亚硫酸氢钠溶液，将阀门转换到 清洗状态，启动输料泵，启动各循环 泵40-60分钟，然后用去离子水冲净 （每周可洗二次）
膜分离的示意图
膜
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膜及其分离机理
截留较大的组分，而透 过较小基团的组分。
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膜分离过程的传质形式
在膜分离过程中，膜相际有3种基本传质形 式，即被动传递、促进传递和主动传递。
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膜分离过程机理
以典型的非对称膜为例，分几个区间来描绘。
①主流体系区间(Ⅰ) ②边界层区间(Ⅰ) ③表面区间(Ⅰ) ④表皮层区间
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膜组件形式与可选择的膜分离过程
管式、板式 卷式
中空纤维 锯齿式
反渗透 纳滤
超滤 微滤
并非每种膜分离过程（微滤、超滤、纳 滤、反渗透）都可以通过各种组件形式 实现，以上是其对应关系图。