膜技术手册（第二版）

膜技术是以膜材料的特殊结构来实现物质高效分离的技术，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。膜科学又是一门多学科高度交叉汇聚、应用极为广阔的学科，得到了科学家和企业家的高度关注与青睐。近20年来从事膜技术研发的科技人员越来越多，从事膜技术产业的企业也如雨后春笋般蓬勃发展。据统计，我国科学家发表的膜相关SCI论文已居全球之首多年，膜产业规模早已超过2000亿元，应用领域涉及国民经济和人民生活的大部分领域。

《膜技术手册》（*版）在时钧、袁权和高从堦院士的主持下，汇聚了国内一批知名学者专家，于1999年开始组稿，2001年正式出版发行。全书共17章约180万字，是当时国内*部全面总结20世纪国内外膜技术进展的大型专业工具书，因其突出的权威性、系统性和实用性，成为膜技术领域的经典著作，为普及膜技术知识、促进膜科学研究、推动膜技术进步做出了重要贡献。《膜技术手册》（*版）出版至今的近20年中，面对我国在水资源、能源、环境、传统工业技术改造升级的重大需求，膜技术领域以基础研究驱动技术变革，通过对膜及膜材料微结构与膜功能性质和制备过程关系的研究，建立了面向应用过程的膜材料设计与制备理论框架，形成了一系列具有自主知识产权、性能达到或接近国际先进水平的膜材料与膜过程，在水处理膜、渗透汽化膜、气体分离膜、离子交换膜、无机膜、膜反应器、新型膜的理论和应用研究方面取得了重要创新进展，为我国的节能减排与传统产业改造做出了突出贡献。分子筛膜、有机-无机复合膜、致密膜反应器等赶超国际先进水平，金属合金膜、智能膜等新型膜引领国际膜材料的发展。因此，为比较全面地反映20年来膜技术的重要进展，为膜技术研究、开发和应用者提供更加新颖实用的工具书，化学工业出版社组织对手册*版进行了修订。

《膜技术手册》（第二版）的修订工作自2016年11月正式启动，汇聚了一大批膜技术领域的中青年专家学者参与修订和编写。本次修订，是在*版基本框架结构的基础上进行补充和完善，注重处理好经典内容的继承与陈旧知识的淘汰、传统学科的发展与交叉学科的新理论新应用的关系，充分反映近年来膜技术领域的新理论和新技术进展。在具体内容上，对沿用的相关生产单位、产品及其性能予以重新核定；对已成熟的应用过程，增加自动控制方面的内容。

《膜技术手册》（第二版）分上下两册，19章，约280万字。考虑到近20年来膜技术的发展，适当调整了*版有关章节，增加了三章，一是有机-无机复合膜，二是气固分离膜，三是典型集成膜过程，总结了多项具有自主知识产权的研究成果。此外，在相关章节加强了分子筛膜、石墨烯膜、致密膜反应器、金属合金膜、仿生膜、智能膜、膜接触器等我国在基础研究方面占据领先地位的技术介绍，在整体的编写思路上贯穿满足国家需求、膜技术发展以及膜从业者的实际工作需要的理念，从而真正起到对学科和产业发展的引领作用。

《膜技术手册》（第二版）的编写，得到国家科技部、中国膜学会（筹）、中国膜工业协会、化学工业出版社等单位以及国家出版基金的大力支持，在此谨致衷心感谢！对参与*版编写的专家学者致以崇高敬意！同时，对参与本手册组织、编写和审稿等工作的所有专家学者表达诚挚的谢意！

尽管我们已尽全力，但限于时间和水平，手册中仍难免有疏漏和不足之处，敬请读者批评指正。

邓麦村 金万勤

2020年10月

膜技术是材料科学和过程工程科学等诸多学科交叉的新型分离技术，以其低能耗、高效率的特点，成为解决我国当前水资源、能源、环境、传统产业改造等国家重大战略需求问题的共性关键技术。

《膜技术手册》是我国膜领域众多专家共同编写的经典工具书，第二版在*版基础上，着重针对膜技术在化工、石油化工、海水淡化、工业污水“零排放”、制药工业、食品工业等重要经济领域的关键应用，突出近年来膜技术领域在基础理论、研发创新、产业推广等方面所取得的成果，围绕膜与膜过程两个核心知识体系予以系统介绍。具体内容包括：导言，有机高分子膜，无机膜，有机-无机复合膜，膜分离中的传递过程，膜过程的极化现象和膜污染，膜器件，反渗透、正渗透和纳滤，超滤和微滤，渗析，离子交换膜过程，气体膜分离过程，气固分离膜，渗透汽化，液膜，膜反应器，膜接触器，控制释放微胶囊膜和智能膜，典型集成膜过程等。手册详细阐述了各种膜的定义、分类、制备、表征和应用；全面总结了各种膜过程的基础理论、工程设计计算方法、经验数据及其适用条件、典型的应用案例等。

本版与*版相比在内容结构上做了较大的优化与调整，删去了亲和膜章，增加了有机-无机复合膜、气固分离膜和典型集成膜过程三章；在有关章节增加了正渗透、膜脱气、膜乳化、膜结晶、智能膜等内容；同时对其他各章在理论、过程和应用方面做了大量更新。下册书末附有缩略语表和索引，方便读者理解和查阅。

本手册既重视基础，又兼顾前沿，内容系统丰富，可供化学工程、材料科学与工程、资源与环境工程等学科以及化工、石化、水处理、制药、食品等行业的技术人员参考阅读，同时也可作为高等院校相关专业的教学参考书。

邓麦村，中国科学院秘书长，研究员，中国膜学会（筹）理事长，中国膜工业协会名誉理事长，曾任中国科学院大连化学物理研究所所长，膜技术国家工程研究中心主任。长期从事气体膜分离技术、渗透机理、制膜技术及膜过程研究，建成了我国首条具备多功能、应变能力强的气体膜分离器制造生产线，并形成完整的研究、生产、工程开发体系，使气体膜分离技术在多个行业获得广泛应用。多年来积极支持我国膜技术产业的规模化、规范化发展，推动膜科学界与产业界的深度结合，培养、引进了一批膜技术研发和工程化人才，为我国膜技术产业的发展做出了有益贡献。

金万勤，南京工业大学教授，材料化学工程国家重点实验室常务副主任，“973”计划项目首席科学家。主持“973”计划项目、国家自然科学基金重大项目等10余项科研项目，主要从事混合导体氧渗透膜、多孔陶瓷膜反应器、有机无机复合膜等应用基础研究，在Nature、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等化工、材料领域知名期刊上发表SCI论文250多篇，被引用9000多次。2014年至2017年连续4年入选爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者“化学工程”领域榜单。以第*完成人获得自然科学奖二等奖和中国石油和化学工业联合会科技进步奖一等奖各一项。

第1章导言

1.1膜和膜分离过程的特征2

1.2膜和膜过程的发展历史4

1.2.1膜科学技术发展史4

1.2.2我国膜科学技术发展概况5

1.3膜7

1.3.1材料和分类7

1.3.2主要制备方法9

1.3.2.1聚合物膜的制备9

1.3.2.2无机膜的制备10

1.3.3膜组件11

1.4膜分离过程12

1.4.1常用的膜分离过程12

1.4.1.1微孔过滤12

1.4.1.2超滤13

1.4.1.3反渗透14

1.4.1.4纳滤14

1.4.1.5渗析15

1.4.1.6电渗析15

1.4.1.7膜电解16

1.4.1.8膜传感器16

1.4.1.9膜法气体分离17

1.4.1.10渗透汽化18

1.4.1.11膜蒸馏18

1.4.1.12正渗透19

1.4.2发展中的新膜过程20

1.4.2.1膜萃取20

1.4.2.2膜结晶21

1.4.2.3促进传递22

1.4.2.4膜反应过程24

1.4.3膜分离与其他化工分离和反应过程的结合25

1.5应用总览25

1.6现状与展望29

1.6.1现状29

1.6.2展望30

参考文献32

第2章有机高分子膜

2.1高分子分离膜材料34

2.1.1天然高分子34

2.1.1.1再生纤维素（cellu）34

2.1.1.2硝酸纤维素（CN）36

2.1.1.3醋酸纤维素（CA）37

2.1.1.4乙基纤维素（EC）37

2.1.1.5纳米纤维素（NFC）38

2.1.1.6甲壳素39

2.1.1.7其他纤维素衍生物39

2.1.2芳杂环高分子39

2.1.2.1聚砜（PSF）39

2.1.2.2聚醚砜（PES）41

2.1.2.3聚醚酮（PEK）41

2.1.2.4聚酰胺（PA）42

2.1.2.5聚酰亚胺（PI）44

2.1.2.6其他芳杂环高分子45

2.1.3聚酯类46

2.1.3.1聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）46

2.1.3.2聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）47

2.1.3.3聚碳酸酯（PC）48

2.1.4聚烯烃48

2.1.4.1聚乙烯（PE）48

2.1.4.2聚丙烯（PP）49

2.1.4.3聚4-甲基-1-戊烯（PMP）50

2.1.5乙烯类聚合物50

2.1.5.1聚丙烯腈（PAN）51

2.1.5.2聚乙烯醇（PVA）52

2.1.5.3聚氯乙烯（PVC）52

2.1.5.4聚偏氯乙烯（PVDC）53

2.1.5.5聚偏氟乙烯（PVDF）53

2.1.5.6聚四氟乙烯（PTFE）53

2.1.6含硅聚合物54

2.1.6.1聚二甲基硅氧烷（PDMS）54

2.1.6.2聚三甲硅基丙炔（PTMSP）55

2.1.7聚电解质56

2.1.7.1阴离子聚合物56

2.1.7.2阳离子聚合物56

2.1.7.3两性离子聚合物58

2.1.7.4聚离子液体58

2.2有机高分子分离膜的制备59

2.2.1均质膜的制备59

2.2.1.1致密均质膜60

2.2.1.2多孔均质膜61

2.2.1.3离子交换膜68

2.2.2非对称膜的制备70

2.2.2.1相转化膜70

2.2.2.2复合膜94

2.3有机高分子分离膜的表征99

2.3.1膜的性能99

2.3.1.1膜的分离透过特性99

2.3.1.2膜的物化性能110

2.3.2膜的结构112

2.3.2.1膜的聚集态结构112

2.3.2.2膜的形态结构114

2.3.3膜的孔径与自由体积的测定118

2.3.3.1电子显微镜法118

2.3.3.2和界面性质相关的孔参数测定法123

2.3.3.3和流体力学性质相关的孔参数测定法127

2.3.3.4和筛分、截留效应相关的测定法130

2.3.3.5正电子湮灭测定法134

符号表137

参考文献139

第3章无机膜

3.1引言148

3.1.1概述148

3.1.2分类149

3.1.3结构149

3.2无机膜的结构与性能表征150

3.2.1概述150

3.2.2多孔无机膜孔结构的表征150

3.2.2.1静态法150

3.2.2.2动态测定技术153

3.2.2.3小结158

3.2.3无机膜材料性质表征159

3.2.3.1化学稳定性159

3.2.3.2表面性质160

3.2.3.3机械强度161

3.3无机膜的制备161

3.3.1概述161

3.3.2多孔支撑体的制备162

3.3.3非对称微滤膜的制备165

3.3.4湿化学法169

3.3.5溶胶-凝胶法171

3.3.5.1溶胶的制备171

3.3.5.2涂膜171

3.3.5.3凝胶膜的干燥与热处理174

3.3.6阳极氧化法178

3.3.7分相法179

3.3.8有机聚合物热分解法181

3.3.9多孔膜的改性181

3.3.10致密膜的制备182

3.3.10.1致密金属膜的制备183

3.3.10.2氧化物致密膜的制备184

3.3.11无机膜缺陷修复技术185

3.4无机膜组件及成套化装置186

3.4.1概述186

3.4.2膜元件186

3.4.3膜组件188

3.4.4过滤过程189

3.4.4.1错流过滤189

3.4.4.2操作方式189

3.4.4.3膜污染的控制及清洗方法191

3.5无机膜在分离和净化中的应用192

3.5.1在食品工业中的应用193

3.5.1.1在奶业中的应用193

3.5.1.2蛋白质的浓缩193

3.5.1.3果（蔬菜）汁澄清194

3.5.1.4饮用水的净化194

3.5.1.5酒的澄清过滤195

3.5.2在生物化工与医药工业中的应用196

3.5.2.1发酵液的过滤196

3.5.2.2血液制品的分离与纯化197

3.5.2.3中药提取与纯化197

3.5.3在环保工程中的应用199

3.5.3.1在含油废水处理中的应用200

3.5.3.2在废油过滤中的应用202

3.5.3.3在MBR中的应用202

3.5.3.4在其他废水处理中的应用203

3.5.4在化工与石油化工中的应用205

3.5.4.1陶瓷膜在润滑油脱蜡过程中的应用206

3.5.4.2无机膜在化工产品脱色中的应用206

3.5.4.3无机膜在催化剂回收中的应用206

3.5.5无机膜用于气体净化207

3.5.6无机膜用于气体分离207

3.6无机膜反应器209

3.6.1概述209

3.6.2无机膜催化反应器的结构及分类209

3.6.3无机催化膜反应器的主要应用210

3.6.4无机催化膜反应器的数学模拟212

3.6.5无机膜催化反应器工业化面临的问题和发展前景213

符号表213

参考文献214

第4章有机-无机复合膜

4.1有机-无机复合膜简介230

4.1.1有机-无机复合膜的概念与分类230

4.1.2有机-无机复合膜的主要特点230

4.2有机-无机复合膜材料231

4.2.1概述231

4.2.2填充剂的分类231

4.2.2.1按填充剂亲疏水性分类231

4.2.2.2按填充剂维度分类232

4.2.2.3按填充剂结构分类232

4.2.2.4其他分类233

4.3有机-无机复合膜的制备233

4.3.1物理共混法233

4.3.1.1填充剂尺寸234

4.3.1.2有机-无机界面形态234

4.3.1.3无机填充剂的团聚234

4.3.2溶胶-凝胶法234

4.3.3自组装法236

4.3.4界面聚合法237

4.3.5仿生矿化法238

4.3.6仿生黏合法239

4.3.7浸渍提拉法240

4.3.8其他方法240

4.4有机-无机复合膜界面结构调控与传质机理241

4.4.1复合膜界面形态241

4.4.1.1理想复合膜界面形态241

4.4.1.2非理想复合膜界面形态241

4.4.2界面结构调控244

4.4.2.1提高高分子链段柔性244

4.4.2.2增强界面相容性245

4.4.3传质机理与抑制trade-off效应机理246

4.4.3.1理想界面传质模型246

4.4.3.2非理想复合膜传质模型252

4.4.3.3有机-无机复合膜分离传质机理254

4.4.3.4抑制trade-off效应机理257

4.5有机-无机复合膜的应用259

4.5.1概述259

4.5.2气体分离259

4.5.2.1氢气富集259

4.5.2.2氧气或氮气富集260

4.5.2.3二氧化碳分离261

4.5.2.4烯烃/烷烃分离264

4.5.2.5气体除湿265

4.5.3渗透汽化265

4.5.3.1有机物脱水266

4.5.3.2水中有机物回收267

4.5.3.3有机物分离268

4.5.4水处理269

4.5.5电渗析270

4.5.6其他膜过程272

4.6展望272

符号表272

参考文献273

第5章膜分离中的传递过程

5.1引言292

5.2膜内传递过程292

5.2.1传递机理为基础的膜传递模型294

5.2.1.1气体分离微孔扩散模型294

5.2.1.2液体分离微孔扩散模型295

5.2.1.3表面力-孔流模型298

5.2.1.4溶解-扩散模型302

5.2.2非平衡热力学为基础的膜传递模型310

5.2.2.1非平衡热力学基本概念311

5.2.2.2非平衡热力学传递模型314

5.2.3膜内基本传质形式318

5.2.3.1三种膜内基本传质形式318

5.2.3.2以非平衡热力学定义基本传质形式319

5.2.4膜分离传递过程中的常用参数321

5.2.4.1渗透与渗透率321

5.2.4.2溶解度、溶解度参数、热力学耦合过程322

5.2.4.3扩散过程、扩散系数、扩散耦合过程332

5.3膜外传递过程345

5.3.1膜表面传质过程345

5.3.1.1浓差极化345

5.3.1.2凝胶层极化350

5.3.2传质过程的实验测定352

5.3.2.1强制流动的传质353

5.3.2.2自然对流传质系数354

5.3.3膜分离传递过程中的其他内容356

5.3.3.1温差极化356

5.3.3.2沿膜面流道的传递过程357

5.3.3.3提高传质过程的方法实例358

5.4计算机模拟在膜分离传递过程中的应用360

5.4.1计算流体力学在膜分离传递现象中的应用360

5.4.1.1计算流体力学的基本方法360

5.4.1.2CFD在膜过程传递现象研究中的应用361

5.4.2分子模拟技术在膜分离传递过程中的应用366

5.4.2.1蒙特卡罗分子模拟366

5.4.2.2分子动力学模拟367

符号表368

参考文献370

第6章膜过程的极化现象和膜污染

6.1概述380

6.2浓差极化380

6.2.1浓差极化的定义380

6.2.2浓差极化的危害及用途381

6.2.2.1浓差极化的危害381

6.2.2.2浓差极化的用途382

6.2.3浓差极化的在线监测方法382

6.2.3.1光学技术382

6.2.3.2核磁共振技术（NMR）382

6.2.3.3同位素标定技术383

6.2.3.4超声时域反射技术383

6.2.4浓差极化的控制方法383

6.2.4.1改善膜表面的流体力学条件383

6.2.4.2操作条件的优化386

6.3温差极化386

6.4膜污染387

6.4.1膜污染的定义387

6.4.2污染物的种类388

6.4.3膜污染的影响因素388

6.4.3.1粒子或溶质尺寸及形态389

6.4.3.2溶质与膜的相互作用389

6.4.3.3膜的结构与性质389

6.4.3.4溶液特性的影响390

6.4.3.5膜的物理特性390

6.4.3.6操作参数390

6.4.4膜污染的研究方法391

6.4.4.1膜污染的在线监测方法391

6.4.4.2膜污染的非在线监测方法393

6.4.5膜污染的数学模型393

6.4.5.1多孔膜393

6.4.5.2致密膜399

6.4.6膜污染的控制方法399

6.4.6.1料液预处理400

6.4.6.2膜材料的选择401

6.4.6.3膜孔径或截留分子量的选择402

6.