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半透膜（只讓某些分子和離子進(jìn)出的薄膜）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-22

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半透膜

只讓某些分子和離子進(jìn)出的薄膜

半透膜是一種只讓某些分子和離子擴(kuò)散進(jìn)出的薄膜，一般來(lái)說(shuō)，半透膜只允許離子和小分子物質(zhì)通過(guò)，而生物大分子物質(zhì)不能自由通過(guò)半透膜，原因是半透膜的孔隙的大小比離子和小分子大，但比生物大分子例如蛋白質(zhì)、淀粉等小，如羊皮紙、玻璃紙等都屬于半透膜。

基本信息

中文名	半透膜
外文名	semipermeablemembrane
組成	細(xì)胞膜、膀胱膜、羊皮紙等
應(yīng)用	醫(yī)藥行業(yè)、飲料行業(yè)、電子、電力行業(yè)
介紹	只允許離子和小分子通過(guò)的膜結(jié)構(gòu)

發(fā)展歷史

1748年的一天，法國(guó)物理學(xué)家諾勒為了改進(jìn)酒的制作水平，設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)試驗(yàn)：在一個(gè)玻璃圓筒中裝滿酒精，用豬膀胱封住，然后把圓筒全部浸在水中。當(dāng)他正要做下一步的工作時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)，豬膀胱開(kāi)始向外膨脹，隨即發(fā)現(xiàn)水通過(guò)膀胱滲透進(jìn)了圓筒，最后膀胱竟然被撐破。這是現(xiàn)代科學(xué)試驗(yàn)中最早發(fā)現(xiàn)膜及膜的穿透作用的記錄。

1830年，法國(guó)生理學(xué)家杜特羅夏做了膜內(nèi)外滲透壓試驗(yàn)，他用一個(gè)鐘罩形的玻璃容器，下面用羊皮紙密封，從上面插進(jìn)一支長(zhǎng)玻璃管，容器中分別放入各種不同濃度、不同物質(zhì)的溶液，然后把它浸入水槽中。于是觀察到玻璃管內(nèi)液面上升，發(fā)現(xiàn)其升高值與溶液的濃度成正比。他解釋說(shuō)，這個(gè)壓力是由于外面的水通過(guò)羊皮紙向溶液方向逸出而產(chǎn)生的，并命名這種現(xiàn)象為“滲透”。直到1854年英國(guó)科學(xué)家格雷厄姆在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，放置在半透膜一側(cè)的晶體會(huì)比膠體更快的擴(kuò)散到另一側(cè)，并應(yīng)用到超純水機(jī)設(shè)計(jì)里，并提出了透析的概念。這時(shí)人們才對(duì)半透膜產(chǎn)生了興趣，并由德國(guó)生物化學(xué)家特勞白·莫里茨在1864年制造出了人類歷史上第一張人造膜——亞鐵氰化銅膜。

1960年，對(duì)于膜發(fā)展技術(shù)的歷史來(lái)說(shuō)具有跨時(shí)代的意義。這一年人類終于實(shí)現(xiàn)了從苦咸水中制取淡水的夢(mèng)想，工作于美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家研制出了世界第一張非對(duì)稱醋酸纖維素反滲透膜，這種膜與以前的均質(zhì)醋酸纖維素反滲透膜具有同樣高的脫鹽率，不同之處是在形態(tài)結(jié)構(gòu)上是非對(duì)稱的，而且水的滲透量增加了近十倍。這種反滲透膜的成功研制，使反滲透過(guò)程從實(shí)驗(yàn)室走向了工業(yè)應(yīng)用。與此同時(shí)，這種用相轉(zhuǎn)化法制造非對(duì)稱分離膜的新工藝引起了學(xué)術(shù)、技術(shù)和工業(yè)界的廣泛重視。

半透膜

特點(diǎn)

半透膜透過(guò)物質(zhì)具有選擇性的薄膜。一般只允透過(guò)溶劑或溶劑和小分子溶質(zhì)而不允許過(guò)大分子溶質(zhì)。如玻璃紙只允許水透過(guò)蔗糖溶液中，而蔗糖分子不能透過(guò)；動(dòng)物的膀胱允許水透過(guò)，而不允許酒精分子過(guò)；灼熱的鈀或鉑允許氫透過(guò)，而氬分子不能透過(guò)。半透膜可用多種高分子材料制成，用以分離不同分子量的物質(zhì)，定滲透壓和氣體分壓等。半透膜主要應(yīng)于膜分離技術(shù)中的反滲透和超濾。應(yīng)用反滲透過(guò)程時(shí)稱為反滲透膜，它是具有水性基團(tuán)的薄膜，膜不僅具有篩濾作還有對(duì)水分子的優(yōu)先吸附作用。常于反滲透的膜有醋酸纖維素膜、芳香聚胺膜、聚苯并咪唑膜等。半透膜可以制板狀、管狀和中空纖維狀，也應(yīng)用于擴(kuò)滲析。膜的表皮層微孔孔徑為0.6~0.9nm，臨界孔徑為1.3nm。孔徑較大的半透膜應(yīng)用于超過(guò)濾，稱為超過(guò)濾膜，它在0.07~0.7MPa（0.7~7kgf/cm）壓力下工作，用于分離直徑10nm以內(nèi)的分子和微粒，其透過(guò)性能屬篩分原理。在污水處理中用到的膜過(guò)程有電滲析、反滲透和超濾，其所用的均為半透膜。半透膜應(yīng)用在工業(yè)廢水治理，有的已有生產(chǎn)規(guī)模，有的還在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

常見(jiàn)半透膜

醋酸纖維素膜

此膜的制造方法為用溶劑溶解醋酸纖維素，加以發(fā)孔劑，制成膜后，蒸去溶劑，并經(jīng)一定的熱處理而成。所用溶劑為丙酮，也有用二氧六環(huán)的，發(fā)孔劑有Mg(ClO4)2、ZnCl2及HSPO4等。制成的膜有平板式、管式，螺旋卷式和中空纖維式之分。下面介紹復(fù)合型醋酸纖維素膜。

復(fù)合型醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)由表層和多孔層（底層）兩部分組成。表層（厚0.1～0.3微米）具有相當(dāng)細(xì)密的微孔結(jié)構(gòu)（孔徑<50埃），這就是半透膜，底層是一種海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，厚度為表層的200-500倍，孔較大（孔徑約400埃），且具有彈性，起著支撐表層的作用。反滲透運(yùn)行時(shí)，溶液必須與表層接觸，不能倒置。醋酸纖維膜適用于pH范圍為3-7的溶液（長(zhǎng)期使用范閹pH為4.5左右）。

聚酴胺膜

在1970年以前制成的主要是脂肪族聚酰胺膜，例如尼龍-66、尼龍-6等，這些膜的透水性很差。后來(lái)，制成了芳香族聚酰胺膜，它的透水性、除鹽率、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性等都較好。它能在pH為4~10的范圍內(nèi)使用（長(zhǎng)期使用范圍為pH5～9）。芳香聚酰胺膜主要是制成中宜纖維。這類膜的鑄膜液通常是由芳香聚酰胺、溶劑和鹽類添加劑（作為助溶劑）三種組分組成。中空纖維膜系由溶液紡絲汝渤取：將一定濃度的芳香聚酰胺紡絲液，在一定溫度（如80~140℃)下通過(guò)環(huán)形中孔噴絲嘴噴出，經(jīng)烘烤，蒸發(fā)和浸洗等步驟而制成。

制備方法

膠棉半透膜

1.在100mL燒杯中里加入10mL濃硝酸（14.1g/mL），配成混合溶液，冷卻到約20℃。把一小塊脫脂棉浸入混合溶液中8~10min取出后充分洗凈，涼干，得到纖維素硝酸酯。

2.在試劑瓶中取乙醚、乙醇各10mL，再加入1g上述干燥的纖維素硝酸酯，不斷振蕩，放置1~2天，就生成透明的膠棉液。

3.取3mL上述自制或市售5%的膠棉液，加入干燥的150mL錐形瓶中，將錐形瓶橫斜不斷轉(zhuǎn)動(dòng)使瓶的內(nèi)壁和瓶口都均勻沾上膠棉液。倒出多余的膠棉液，然后倒置約1min使乙醚、乙醇不斷蒸發(fā)，直到干燥。逐步剝離瓶口的薄膜，沿瓶壁薄膜夾縫注入蒸餾水，使得薄膜逐步跟瓶壁分離，輕輕取出，浸入蒸餾水中備用。

羊皮紙半透膜

把定量濾紙放入盛有2:1的水-硫酸的燒杯中，用玻棒輕輕撳壓，使它浸沒(méi)均勻（玻棒和濾紙都不能帶水）。浸泡60~90s后取出，立即用蒸餾水洗凈，再放入1:1一水合氨的水溶液（即氨水）中，中和殘留的酸，取出在空氣中晾干。

注意：

1、制作膠棉半透膜的錐形瓶一定要干燥，否則難以成膜。

2、膠棉半透膜容易破裂，實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)保存在蒸餾水里。

3、自制羊皮紙時(shí)，一定要控制硫酸的濃度和浸泡時(shí)間，還要注意在浸泡中濾紙不能重疊。

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