综合膜科学与工程

由意大利国家研究委员会膜技术研究所(Institute on Membrane Technology of the National Research CouncilofItaly，ITM-CNR)的科学家EnricoDrioli、Lidietta Giorno、Enrica Fontananova撰写的《综合膜科学与工程(第2版)》共分为4册,分别为:第1册,膜科学与技术;第2册,先进分子分离中的膜操作;第3册,化学/能量转换膜和膜接触器;第4册,膜应用。

本册共17章,包括:从生物膜到人工合成膜系统;膜结构与传输特性的建模与仿真;膜内气体输运的基本原理;聚合物膜制备的基本原理;膜制备有机材料的研究现状及展望;用于压力驱动进程的先进聚合物及有机-无机膜;聚偏氟乙烯中空纤维膜;热重组聚合物膜:材料与应用;固有微孔聚合物薄膜(PIMs);等离子体膜;陶瓷膜;微结构陶瓷中空纤维膜及其应用;气体分离碳膜的制备;石墨烯膜;溶剂对热诱导相分离(TIPS)膜制备的影响(热力学和动力学的角度);用静电纺丝制造膜的策略与应用;高分子膜的物理化学表征。

本书可作为膜科学与技术领域的本科生或研究生的教材,也可供相关领域研究者参考。

1.1引言

生物膜有别于合成膜的特征在于：生物膜具有识别特性，能够调节具有不同理化性质的原子和分子的通道，在信号和信息传递方面以及接受外部物理、化学和生化刺激时，具有自我调节、自我愈合和自我清洁的响应，同时生物膜具有极高的选择性、精确性和有效性。

生物膜能够识别细胞生存所需的组分，从而促进物质信息和能量的交换，也能识别有害成分并阻止它们进入细胞甚至捕获和消除它们。生物膜能动态地执行这些动作，因此其具有适应新事件的能力。

但是，生物膜的生产率和机械稳定性不足以维持工业生产的需要。然而，人工合成膜可以保证可持续的生产率和机械稳定性。与大多数生物膜不同，人工合成膜非常稳定，可承受很大的压力、机械应力以及很高的温度和恶劣的物理化学条件。人工合成膜面临的挑战是实现类似于生物膜的选择性、识别和响应特性的同时，保持高的机械稳定性和生产率。

生物膜的独特特性是通过许多不同的功能单元、结构、架构、系统、机制和过程在多尺度水平上的分级组合来实现的。例如，如果将生物膜净水系统和人工合成膜净水系统进行比较，从宏观层面上看来，二者在过程集成和强化策略方面可以找到相似之处，但生物膜系统的复杂性更令人惊叹。

紧凑、集成和强化的生物过滤系统（如肾脏）由多种不同类型的元件、膜、结构、配置组合而成，通过逆流多组分系统来实现血液过滤。一般来说，毛细管是以使梯度浓度的质量传输最大化的路径来实现运输的。例如，肾脏每天产生180L滤液，同时重新吸收的

比例很大，允许产生大约1.5L的尿液（即不到液体排放量的2%）。

肾单位是肾脏的单位系统（图1、1（b）)，待净化的血液进入肾小球网络，分配在肾小球囊（鲍曼囊）内，从而被过滤。图1.l（c）所示为肾小球膜结构的示意图，它是一种由三个不同层组成的毛细管不对称纳米复合膜(图1.l（d)），并且每个层具有不同的孔径。

面向管腔侧的层由内皮细胞构成，形成直径约70nm的窗孔形状的孔；中间层即“肾小球基底膜”，具有更致密的结构，孔直径约25nm，并带负电；外层由相互连接的足细胞组成，形成约10nm的过滤狭缝孔。总而言之，肾小球膜是一种不对称毛细血管超滤膜，在保留血细胞、蛋白质和带负电荷的分子的前提下，允许小分子（高达15kDa)、离子和盐在……

本书由多个领域的学者撰写，涉及化学、化工、材料科学、物理、生物和食品科学，覆盖了大量的关于膜的最新应用和先进技术，主要包括新型膜材料(热重排聚合物、固有微孔聚合物及新型疏水含氟聚合物)和加工(反电渗析、膜收缩器、膜结晶、膜冷凝器、膜干燥器和膜乳化剂)等内容。