膜化學與技術(shù)教程

前言

1997年夏季，我從南開大學博士后化學流動站出站，來到中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院工作。第二年在應用化學專業(yè)為本科生開設了《膜化學與膜技術(shù)》課程，由于教學反應很好，該課程很快由當初的選修課升為專業(yè)必修課，并成為《化學工程》的后續(xù)課程。1999年又為研究生開設了相關(guān)選修課程《膜科學與膜技術(shù)》。在講授這兩門課的過程中，我參閱了大最的文獻資料，感覺到：多數(shù)膜學著作的對象是在膜方面有一定基礎(chǔ)的科研人員和工程技術(shù)人員，缺少將基本化學原理與膜現(xiàn)象結(jié)合起來并有大量例題和習題的膜學教材。于是萌發(fā){編一本適合于本科生和研究生教學的膜學教程的念頭。}

在隨后的歲月里，本科生《膜化學與膜技術(shù)》課程的教學范圍從應用化學專業(yè)的本科生又擴展到化學專業(yè)的本科生。同時由于中國科學技術(shù)大學承擔部分中國科學院下屬院所研究生的基礎(chǔ)課程教學任務，研究生選課的人數(shù)也在不斷增加，既有科大本部的研究生，也有科學院下屬院所如大連化物所、上海原子核所、上海有機所、上海硅酸鹽所、武漢物理所、科學院合肥分院的研究生。因此我編寫膜學教材的愿望更加強烈。恰在此時，中國科學技術(shù)大學進行教學改革，準備資助一批“十五”教材立項工作，我的申請很快獲得批準，并列入“十五”期間教材出版規(guī)劃首批資助對象，我的愿望終于實現(xiàn)，這本膜學教程由此而誕生。

眾所周知，膜學是一門涉及多學科的高新技術(shù)邊緣學科，要想在本教程中包括所有的膜學內(nèi)容幾乎是不可能的。為此本教程著眼于化學基本原理與膜學內(nèi)容的緊密結(jié)合：第一章為膜學概論，介紹膜的發(fā)展進程和主要膜過程原理；第二章將膜學與材料科學結(jié)合起來，介紹多種膜材料的化學結(jié)構(gòu)和特性、膜材料的穩(wěn)定性、膜材料的選擇和表征方法；第三章介紹膜的制備方法和原理，此部分內(nèi)容將膜與物理化學中的相圖、相平衡聯(lián)系起來，同時介紹了無機膜的相關(guān)內(nèi)容，并用專門的篇幅介紹了目前的新膜品種即無機一有機復合/雜化膜的制備方法；本教程第四章是化學工程的升華，介紹了膜傳遞的擴散理論和非平衡熱力學理論。如果說第二至四章是關(guān)于膜化學的知識，那么第五至八章涉及的就是膜技術(shù)方面的內(nèi)容：第五章介紹了所有壓力膜技術(shù)原理和應用；第六章介紹離子交換膜及相關(guān)技術(shù)；第七章則針對所有膜過程中污染和濃差極化現(xiàn)象的原因、表征和預防措施進行介紹，涉及到過程的維護和膜的保養(yǎng)；第八章介紹了一些新型膜技術(shù)，兼顧到研究生教學內(nèi)容和工程技術(shù)人員的實際應用。

在上述內(nèi)容中，有一部分是作者所在課題組多年的研究成果，如第二章中涉及到聚苯醚膜材料部分、第三章中復合/雜化膜的制備和部分有機膜電鏡分析、第五章的部分應用示例、第六章的電膜部分、第七章的蛋白質(zhì)吸附部分、第八章的膜控制釋放部分。本教程還特別在每章節(jié)中附上了一定數(shù)量的例題和大量的習題。另外，本教程有四個附錄：附錄一以國外文獻為基礎(chǔ)，對膜過程的基本術(shù)語進行分類匯總；附錄二列出了一些主要的網(wǎng)上膜學術(shù)資源和膜工業(yè)站點，以適應信息發(fā)展的需要；附錄三列出了主要的膜學著作，以方便讀者查閱；附錄四選登了往屆研究生選修本課程時撰寫的部分論文，供研究生教學參考。

在本教程的編著過程中，既要考慮知識的基礎(chǔ)性，又要考慮全面性，因而參閱了大量的國內(nèi)外膜專家的專著和論文。在此，我對這些文獻的作者表示最衷心的感謝和敬意，正是由于他們這些獨特和原創(chuàng)性的工作才會有本教程的存在；同時由于人力和條件的限制，對引用過程中未能一一征得原作者的同意而表示深深的歉意，并敬請他們諒解。

本教程經(jīng)國家海洋局杭州水處理中心高從增院士和莫劍雄研究員認真審訂，提出了諸多寶貴的修改意見，特別是高從增院士還為本教程提供了一定數(shù)量的例題。對這兩位膜界前輩辛勤的工作，我表示最誠摯的謝意。

本教程得到了中國科學技術(shù)大學“十五”教材計劃立項經(jīng)費的資助。同時在編著期間，作者正在執(zhí)行國家自然科學基金課題(編號29976040，20106015)的研究工作。本教程編著、出版過程中所發(fā)生的費用和這些基金不無相關(guān)，對資助這些基金的部門、團體，在此我也表示最衷心的感謝!

本教程于2000年動筆，2003年6月完成初稿，在此期間，我從東京大學和東京工業(yè)大學獲取了大量的膜學資料。本教程第七章中有關(guān)蛋白質(zhì)污染的內(nèi)容就是我在東京大學的研究1二作，第六章中雙極膜表征方面的內(nèi)容是我在東京工業(yè)大學的研究工作，在此對接待我做合作研究的東京大學化工系中尾真一(S．Nakao)教授和東京工業(yè)大學有機化學和高分子系的谷剛名彥(A．Tanioka)教授表示最衷心的謝意。同時我還要感謝荷蘭吐溫大學的A．B．J．Kemperman博士，他為我寄來了他們研究小組(歐洲膜研究院)的多篇博士論文和專著，極大地充實了本教程第三章、第六章和第七章的相關(guān)內(nèi)容。

最后我要感謝中國膜界前輩和膜界同仁，他們?yōu)橹袊た茖W的發(fā)展做出了非常出色的工作，使我國的膜技術(shù)研究水平上升了一個很高的臺階，與發(fā)達國家的差距越來越小。是他們營造了一個編輯出版本教程的良好氛圍；也是受他們的影響，使我對膜學產(chǎn)生了濃厚的興趣。

盡管我做了諸多努力，本教程也非盡善盡美，錯誤和遺漏之處難免，衷心歡迎讀者提出批評和建議。我希望本教程能引領(lǐng)更多的初學者進入膜科學與技術(shù)這個神圣的殿堂，并最終成為我國膜技術(shù)后備人才和中堅力量。

徐銅文

2003年12月于中國科學技術(shù)大學

書摘2100433B

徐銅文，教授，博士生導師，1967年8月生于安徽霍邱。1989年9月獲合肥工業(yè)大學化學學士學位，1992年9月獲合肥工業(yè)大學應用化學碩士學位，1992年10月獲天津大學化學工程博士學位，1992.6-1997.6在南開大學高分子化學研究所從事博士后研究，1997年6月來中國科技大學化學與材料科學學院工作，期間作為訪問學者先后在東京大學（2000）、東京工業(yè)大學（2001）進行學術(shù)訪問研究。主要從事膜技術(shù)及其相關(guān)過程、化工傳遞方面的研究?，F(xiàn)主持國家自然基金面上項目《多層結(jié)構(gòu)雙極膜的傳質(zhì)與催化水解離機理》、《新型系列荷正電納濾膜的制備及結(jié)構(gòu)優(yōu)化》兩項，省部級項目三項，已完成各類項目六項，發(fā)表論文50余篇，其中《SCI》收錄26篇，《EI》收錄16篇，獲專利一項，專著一本，合著一本?，F(xiàn)指導碩士研究生4名，博士研究生2名。

第1章 概論

1.1 膜的定義

1.2 膜的分類

1.3 膜的發(fā)展歷史

1.4 商業(yè)化膜分離過程特征及其優(yōu)先研究課題

1.5 今后的研究開發(fā)趨勢

參考文獻

習題

第二章 膜材料化學

2.1 無機膜材料(1)

2.2 有機聚合物膜材料

2.3 膜材料的選擇及表征

2.4 膜材料的物化穩(wěn)定性

2.5 膜材料的改性

2.6 溶劑

2.7 添加劑

參考文獻

習題

第三章 膜制備化學

3.1 對稱膜

3.2 微孔膜

3.3 非對稱膜

3.4 荷電膜

3.5 液膜的制備

3.6 無機膜的制備

3.7 分子篩膜的制備方法

3.8 無機-有機雜化膜的制備方法

3.9 相轉(zhuǎn)化法濕法成膜機理與相圖分析

3.10 后處理對膜形成過程的影響

參考文獻

習題

第四章 膜傳遞化學

4.1 膜相中的基本傳遞過程

4.2 推動力

4.3 非平衡熱力學

4.4 膜傳遞理論

4.5 幾種有代表性的膜內(nèi)傳質(zhì)方程

4.6 膜相傳遞模型的統(tǒng)一

參考文獻

習題

第五章 壓力驅(qū)動膜技術(shù)簡介

……

第六章 離子交換膜及其相關(guān)技術(shù)

第七章 膜通量下降原因分析及操作策略——濃差極化、吸附和膜污染化學

第八章 其他膜技術(shù)簡介

附錄1：膜學中的相關(guān)術(shù)語

附錄2：膜及其相關(guān)領(lǐng)域的主要著作一覽

附錄3：網(wǎng)上膜資源

附錄4：部分研究生《膜科學與膜技術(shù)》課程論文選登

MCR膜化學反應器簡稱。

外文名

MCR

產(chǎn)品類型

新型水處理裝置

膜化學反應器是在MBR 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型水處理裝置，是將化學處理工藝與膜分離工藝加以結(jié)合，使得傳統(tǒng)的化學反應效率得以提高。2100433B

本書主要內(nèi)容是有關(guān)現(xiàn)代膜技術(shù)與制膜工藝實例。既重點介紹現(xiàn)代膜技術(shù)的基本特性、膜材料與制膜工藝兼顧、制膜工藝的分類等，也闡述了無機膜的制備技術(shù)與方法；典型無機膜的制備工藝實例；有機膜的制備方法；典型有機膜的制備工藝實例；各種膜組件的制備工藝與實例；生物膜法過濾技術(shù)及無機/有機膜應用。

本書從基礎(chǔ)理論到膜技術(shù)都做了系統(tǒng)全面的闡述，有理論又有對實踐應用的指導，對中國現(xiàn)代膜技術(shù)與環(huán)境事業(yè)的引導發(fā)展以及新型生態(tài)材料學的孵化發(fā)展均頗有裨益。

本書可供從事膜分離技術(shù)研究、生產(chǎn)以及使用膜技術(shù)的企事業(yè)單位工程技術(shù)人員、管理人員使用，也可供大專院校學生及其他相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員使用。