高性能膜材料与膜技术

与国内外已出版的同类书籍相比，本书的特色主要有：

 

本书在十二五高性能膜材料专项规划的基础上，结合膜材料的发展的四大特点：一是膜材料产业正向高性能、低成本及绿色化方向发展；二是膜材料市场快速发展，与上下游产业结合日趋紧密；三是膜技术对节能减排、产业结构升级的推动日趋明显；四是膜技术对保障饮水安全，减少环境污染的作用日趋显著。从水处理膜材料、气体分离膜、特种分离膜材料等方面阐述膜材料与膜技术领域的现状和进展。同时总结了新型膜材料制备技术、膜集成技术以及高性能膜材料和膜技术的典型应用案例。本书可供化工、材料、环保、医药等领域从事膜材料与膜技术设计开发的研究人员，从事膜材料应用的技术人员，高等院校化学工程、材料化工等专业的师生，水处理、膜工业等行业的管理人员参考阅读。

邢卫红，南京工业大学研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，现任南京工业大学副校长、国家特种分离膜工程技术研究中心主任。主要从事膜材料与膜过程的研究工作，主持国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点、863等20多项科研项目；研究成果获得包括国家技术发明二等奖1项（排名2）、国家科技进步二等奖2项（排名1、排名4）等在内的20多项省部级以上科技奖励。兼任“十二五”国家科技重点专项（高性能膜材料专项）专家组专家、全国分离膜标准化技术委员会副主任，中国膜工业协会副理事长，中国海水淡化及水再利用学会副理事长，中国化工学会非均相专业委员会委员，《膜科学与技术》杂志编委等。

第1章概论1

1.1定义与术语1

1.1.1定义1

1.1.2术语2

1.2膜的分类4

1.2.1水处理膜4

1.2.2气体分离膜6

1.2.3特种分离膜7

1.2.4民生膜9

1.3膜技术的工业应用领域10

1.3.1水资源领域10

1.3.2能源领域11

1.3.3生态环境领域12

1.3.4传统产业改造12

1.4技术发展状况12

1.4.1知识产权情况13

1.4.2科技论文15

1.4.3市场分析16

参考文献19

第2章水处理膜与膜过程20

2.1水质净化膜20

2.1.1水质净化膜的发展历程20

2.1.2水质净化膜的分离原理21

2.1.3主要水质净化膜材料22

2.1.4水质净化膜的制备方法22

2.1.5水质净化的典型工艺23

2.2海水淡化膜27

2.2.1反渗透膜的发展历程28

2.2.2反渗透膜的分离原理28

2.2.3反渗透膜材料28

2.2.4反渗透膜的制备方法29

2.2.5反渗透法海水淡化工艺30

2.2.6反渗透法海水淡化预处理工艺31

2.3污水处理膜32

2.3.1主要污水处理膜材料及构型32

2.3.2污水处理膜的制备方法33

2.3.3污水处理膜的典型工艺34

参考文献38

第3章气体分离膜与膜过程40

3.1氢分离膜40

3.1.1钯膜透氢机理41

3.1.2钯膜制备技术42

3.1.3钯膜产业化现状46

3.2氧分离膜47

3.2.1混合导体透氧膜材料及氧传输机理47

3.2.2混合导体透氧膜材料及膜优化设计48

3.2.3混合导体透氧膜的应用51

3.3二氧化碳分离膜54

3.3.1CO2的捕集与封存55

3.3.2促进传递膜57

3.3.3聚合物膜与混合基质膜61

3.3.4沸石分子筛膜65

3.3.5炭膜68

3.4高温气固分离膜71

3.4.1气固分离与过滤再生原理72

3.4.2典型高温气固分离膜材料75

3.4.3高温过滤系统80

3.4.4工程应用83

参考文献85

第4章陶瓷分离膜与膜过程95

4.1多孔陶瓷膜的发展趋势95

4.1.1发展历程96

4.1.2研究趋势97

4.2低成本陶瓷膜的设计与制备98

4.2.1低成本陶瓷膜材料制备技术98

4.2.2高面积/体积比膜元件及膜组件设计103

4.3高渗透性陶瓷膜的设计与制备108

4.3.1造孔剂法108

4.3.2模板剂法109

4.3.3纤维搭建技术111

4.4陶瓷纳滤膜的设计与制备112

4.4.1溶胶-凝胶技术112

4.4.2修饰技术116

4.5陶瓷膜材料的表面性质研究117

4.5.1陶瓷膜表面荷电研究117

4.5.2陶瓷膜表面亲疏水改性研究120

4.6陶瓷膜的应用123

4.6.1陶瓷膜在水处理中的应用124

4.6.2陶瓷膜在油品净化中的应用124

4.6.3陶瓷膜在脱溶剂方面的应用127

4.6.4陶瓷膜在产品脱色中的应用128

4.6.5陶瓷膜在废碱液回收中的应用128

参考文献129

第5章渗透汽化膜与膜过程137

5.1渗透汽化膜分离技术137

5.1.1渗透汽化膜过程传质机理137

5.1.2渗透汽化膜分离技术的发展历程140

5.2典型的渗透汽化膜材料及其应用143

5.2.1透水型渗透汽化膜143

5.2.2透醇型渗透汽化膜151

5.2.3有机物/有机物分离渗透汽化膜158

参考文献161

第6章电池用膜材料167

6.1锂离子电池用膜材料167

6.1.1多孔聚合物膜168

6.1.2无纺布隔膜172

6.1.3有机-无机复合隔膜173

6.1.4国内外锂离子隔膜研发及产业化现状174

6.2燃料电池隔膜174

6.2.1质子交换膜174

6.2.2阴离子交换膜材料185

参考文献191

第7章民生膜技术198

7.1家用净化技术198

7.1.1家用净水器198

7.1.2家用空气净化器203

7.2医用膜技术205

7.2.1血液透析膜206

7.2.2血液供氧膜210

7.2.3药物控制释放膜212

参考文献214

第8章新型膜材料及制备方法216

8.1新型膜材料216

8.1.1金属有机骨架216

8.1.2纳米碳材料226

8.1.3嵌段共聚物234

8.2制膜新方法246

8.2.1纳米纤维堆叠法制膜246

8.2.2分离膜改性和功能化的原子层沉积方法258

参考文献269

第9章膜集成技术277

9.1膜与催化反应集成277

9.1.1催化膜反应器278

9.1.2固定床膜反应器280

9.1.3流化床膜反应器281

9.1.4悬浮床膜反应器283

9.2膜与传统分离技术集成291

9.2.1电除盐291

9.2.2膜蒸馏296

9.3膜过程集成300

9.3.1微滤/超滤-反渗透集成工艺301

9.3.2纳滤-反渗透集成工艺301

9.3.3膜生物反应器-反渗透集成工艺303

参考文献303

第10章膜技术的典型应用案例309

10.1膜法污水深度处理回用技术309

10.1.1污水处理回用工艺流程310

10.1.2膜系统运行结果311

10.1.3污水处理回用成本分析315

10.2膜法饮用水处理新工艺316

10.2.1陶瓷膜法湖水净化工艺316

10.2.2膜孔径对湖水净化过程的影响317

10.2.3操作压差对湖水净化过程的影响318

10.2.4膜面流速对湖水净化过程的影响320

10.2.5恒通量运行膜过滤过程322

10.2.6反冲条件对湖水净化过程的影响323

10.2.7装置连续运行考察324

10.2.8运行经济性估算326

10.3膜法抗生素生产新工艺327

10.3.1抗生素生产工艺流程327

10.3.2纳滤膜新工艺运行结果330

10.3.3抗生素生产成本分析332

10.4医药工业溶剂异丙醇回收技术332

10.4.1渗透汽化膜在异丙醇溶剂中的稳定性333

10.4.2渗透汽化分离工艺336

10.4.3膜分离运行结果340

10.4.4分离工艺成本分析342

10.5陶瓷膜法苯二酚生产新工艺343

10.5.1苯二酚传统生产工艺344

10.5.2苯二酚清洁生产工艺345

10.5.3苯酚羟基化反应-膜分离耦合系统的设计及过程研究348

10.5.4基于陶瓷膜反应器的苯二酚连续生产工艺工程案例354

10.6陶瓷膜法盐水精制新工艺359

10.6.1盐水精制的原理359

10.6.2盐水精制工艺360

10.6.3陶瓷膜法盐水精制工程案例362

参考文献367

膜技术是以高性能膜材料为核心的一种新型流体分离单元操作技术，与过滤、蒸发、精馏等分离技术相比，具有节能高效、设备紧凑、操作方便、易与其他技术集成等优点。近年来，我国膜技术发展迅速，已在水资源、能源、环境和传统产业改造等领域得到广泛应用，销售额保持20%以上的增长速度，销售规模已过千亿元，我国膜技术基础研究和人才队伍均已进入国际前列。本书旨在进一步推进膜材料的发展，总结了南京工业大学膜科学技术研究所的研究成果以及国内外相关膜技术的研究进展，系统介绍水处理膜、特种分离膜、气体分离膜与离子交换膜等功能膜材料与膜过程。本书共分为10章：第1章概论由邢卫红研究员执笔，简要介绍了相关定义和基本原理，并分析了膜技术相关的知识产权、论文和市场状况；第2章水处理膜与膜过程由崔朝亮副教授执笔，主要介绍了水处理膜材料的制备方法、分离原理及其应用进展情况；第3章气体分离膜与膜过程主要由邢卫红研究员执笔，主要介绍了氢分离膜、氧分离膜、二氧化碳分离膜和高温气固分离膜材料的制备及其应用进展情况；第4章陶瓷分离膜与膜过程主要由范益群教授执笔，主要介绍了陶瓷膜的制备、膜组件的设计以及工业应用情况；第5章渗透汽化膜与膜过程主要由顾学红教授和金万勤教授执笔，介绍了渗透汽化膜分离原理及发展趋势，重点阐述了透水膜、透醇膜和透有机物膜的制备与应用情况；第6章电池用膜材料主要由景文珩研究员执笔，主要介绍了锂电池用膜、燃料电池隔膜材料等研究进展；第7章民生膜技术主要由金万勤教授执笔，介绍了膜技术在净水器、空气净化器、血液透析等方面的研究和应用进展；第8章新型膜材料及制备方法由汪勇教授执笔，介绍了新型金属有机骨架膜、纳米纤维膜和嵌段共聚物膜的制备方法以及纳米纤维堆叠法和原子层沉积等新的膜制备方法；第9章膜集成技术主要由陈日志研究员执笔，主要介绍了膜与催化反应、膜与分离技术以及不同膜过程等集成技术研究进展；第10章膜技术的典型应用案例由李卫星教授执笔，主要介绍了高性能膜材料在市政污水处理、饮用水净化、抗生素生产、溶剂回收、苯二酚生产和盐水精制等领域中应用的实际工程案例。南京工业大学参与本书撰写工作的还有周荣飞教授、仲兆祥副教授、周浩力副教授、邱鸣慧副教授、姜红博士、储震宇博士、张春博士、刘公平博士、张峰博士等，对他们辛勤的付出在此表示衷心的感谢！同时也感谢高从堦院士、曹义鸣研究员、徐铜文教授等在本书编写过程中给予的支持！膜科学技术研究所二十余年的科研工作的积淀，从基础科学问题的深入研究到产业化技术的突破，是本书得以付梓的重要基础，在此对参与相关研究工作的教师和学生表示衷心的感谢！在本书的编辑过程中，引用了大量本领域科研工作者的相关研究工作，在此一并表示衷心的感谢！本书的研究工作得到国家自然科学基金、国家重大基础研究计划（973）、国家高技术研究计划（863）、国家支撑计划等项目的支持，特此致谢！材料化学工程国家重点实验室、国家特种分离膜工程技术研究中心在本书的编写过程中给予了大力支持，在此一并表示感谢！我们尽自己最大努力呈现近年来膜技术的最新研究进展，但限于时间和水平，书中难免存在一些不足和疏漏，敬请读者指正。编著者南京工业大学膜科学技术研究所2016年12月于南京