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半透膜

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半透膜

半透膜是一种只让某些分子和离子扩散进出的薄膜，一般来说，半透膜只允许离子和小分子物质通过，而生物大分子物质不能自由通过半透膜，原因是半透膜的孔隙的大小比离子和小分子大，但比生物大分子例如蛋白质、淀粉等小，如羊皮纸、玻璃纸等都属于半透膜。

发展历史

1748年的一天，法国物理学家诺勒为了改进酒的制作水平，设计了这样一个试验：在一个玻璃圆筒中装满酒精，用猪膀胱封住，然后把圆筒全部浸在水中。当他正要做下一步的工作时，突然发现，猪膀胱开始向外膨胀，随即发现水通过膀胱渗透进了圆筒，最后膀胱竟然被撑破。这是现代科学试验中最早发现膜及膜的穿透作用的记录。

1830年，法国生理学家杜特罗夏做了膜内外渗透压试验，他用一个钟罩形的玻璃容器，下面用羊皮纸密封，从上面插进一支长玻璃管，容器中分别放入各种不同浓度、不同物质的溶液，然后把它浸入水槽中。于是观察到玻璃管内液面上升，发现其升高值与溶液的浓度成正比。他解释说，这个压力是由于外面的水通过羊皮纸向溶液方向逸出而产生的，并命名这种现象为“渗透”。直到1854年英国科学家格雷厄姆在试验中发现，放置在半透膜一侧的晶体会比胶体更快的扩散到另一侧，并应用到超纯水机设计里，并提出了透析的概念。这时人们才对半透膜产生了兴趣，并由德国生物化学家特劳白·莫里茨在1864年制造出了人类历史上第一张人造膜——亚铁氰化铜膜。

1960年，对于膜发展技术的历史来说具有跨时代的意义。这一年人类终于实现了从苦咸水中制取淡水的梦想，工作于美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家研制出了世界第一张非对称醋酸纤维素反渗透膜，这种膜与以前的均质醋酸纤维素反渗透膜具有同样高的脱盐率，不同之处是在形态结构上是非对称的，而且水的渗透量增加了近十倍。这种反渗透膜的成功研制，使反渗透过程从实验室走向了工业应用。与此同时，这种用相转化法制造非对称分离膜的新工艺引起了学术、技术和工业界的广泛重视。

特点

半透膜透过物质具有选择性的薄膜。一般只允透过溶剂或溶剂和小分子溶质而不允许过大分子溶质。如玻璃纸只允许水透过蔗糖溶液中，而蔗糖分子不能透过；动物的膀胱允许水透过，而不允许酒精分子过；灼热的钯或铂允许氢透过，而氩分子不能透过。半透膜可用多种高分子材料制成，用以分离不同分子量的物质，定渗透压和气体分压等。半透膜主要应于膜分离技术中的反渗透和超滤。应用反渗透过程时称为反渗透膜，它是具有水性基团的薄膜，膜不仅具有筛滤作还有对水分子的优先吸附作用。常于反渗透的膜有醋酸纤维素膜、芳香聚胺膜、聚苯并咪唑膜等。半透膜可以制板状、管状和中空纤维状，也应用于扩渗析。膜的表皮层微孔孔径为0.6~0.9nm，临界孔径为1.3nm。孔径较大的半透膜应用于超过滤，称为超过滤膜，它在0.07~0.7MPa（0.7~7kgf/cm2）压力下工作，用于分离直径10nm以内的分子和微粒，其透过性能属筛分原理。在污水处理中用到的膜过程有电渗析、反渗透和超滤，其所用的均为半透膜。半透膜应用在工业废水治理，有的已有生产规模，有的还在实验室研究阶段。

常见半透膜

醋酸纤维素膜

此膜的制造方法为用溶剂溶解醋酸纤维素，加以发孔剂，制成膜后，蒸去溶剂，并经一定的热处理而成。所用溶剂为丙酮，也有用二氧六环的，发孔剂有Mg(ClO4)2、ZnCl2及HSPO4等。制成的膜有平板式、管式，螺旋卷式和中空纤维式之分。下面介绍复合型醋酸纤维素膜。

复合型醋酸纤维素膜的结构由表层和多孔层（底层）两部分组成。表层（厚0.1～0.3微米）具有相当细密的微孔结构（孔径<50埃），这就是半透膜，底层是一种海绵状多孔结构，厚度为表层的200-500倍，孔较大（孔径约400埃），且具有弹性，起着支撑表层的作用。反渗透运行时，溶液必须与表层接触，不能倒置。醋酸纤维膜适用于pH范围为3-7的溶液（长期使用范阉pH为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，例如尼龙-66、尼龙-6等，这些膜的透水性很差。后来，制成了芳香族聚酰胺膜，它的透水性、除盐率、机械强度和化学稳定性等都较好。它能在pH为4~10的范围内使用（长期使用范围为pH5～9）。芳香聚酰胺膜主要是制成中宜纤维。这类膜的铸膜液通常是由芳香聚酰胺、溶剂和盐类添加剂（作为助溶剂）三种组分组成。中空纤维膜系由溶液纺丝汝渤取：将一定浓度的芳香聚酰胺纺丝液，在一定温度（如80~140℃)下通过环形中孔喷丝嘴喷出，经烘烤，蒸发和浸洗等步骤而制成。

制备方法

胶棉半透膜

1.在100mL烧杯中里加入10mL浓硝酸（14.1g/mL），配成混合溶液，冷却到约20℃。把一小块脱脂棉浸入混合溶液中8~10min取出后充分洗净，凉干，得到纤维素硝酸酯。

2.在试剂瓶中取乙醚、乙醇各10mL，再加入1g上述干燥的纤维素硝酸酯，不断振荡，放置1~2天，就生成透明的胶棉液。

3.取3mL上述自制或市售5%的胶棉液，加入干燥的150mL锥形瓶中，将锥形瓶横斜不断转动使瓶的内壁和瓶口都均匀沾上胶棉液。倒出多余的胶棉液，然后倒置约1min使乙醚、乙醇不断蒸发，直到干燥。逐步剥离瓶口的薄膜，沿瓶壁薄膜夹缝注入蒸馏水，使得薄膜逐步跟瓶壁分离，轻轻取出，浸入蒸馏水中备用。

羊皮纸半透膜

把定量滤纸放入盛有2:1的水-硫酸的烧杯中，用玻棒轻轻揿压，使它浸没均匀（玻棒和滤纸都不能带水）。浸泡60~90s后取出，立即用蒸馏水洗净，再放入1:1一水合氨的水溶液（即氨水）中，中和残留的酸，取出在空气中晾干。

注意：

1、制作胶棉半透膜的锥形瓶一定要干燥，否则难以成膜。

2、胶棉半透膜容易破裂，实验前请保存在蒸馏水里。

3、自制羊皮纸时，一定要控制硫酸的浓度和浸泡时间，还要注意在浸泡中滤纸不能重叠。