膜化學與技術教程

膜技術是當代新型高效分離技術，是多學科交叉的產物，亦是化學工程學科發展的新增長點，在工業中得到了極為廣泛的應用，並將成為解決人類能源、資源和環境危機的重要手段。為了更好地培養這一新型交叉領域的後備人才，將基本化學原理與膜技術嫁接起來，編寫了本教程。本教程共分八章；第一章介紹膜的發展進程和主要技術原理；第二章介紹常用的膜材料種類和理化特性、膜材料的主要表徵方法、溶劑和添加劑的選擇及膜材料的穩定性等；第三章介紹膜製備的主要方法和原理，重點闡述濕法成膜過程原理及過程因素對膜微觀結構的影響；第四章介紹膜傳遞的擴散理論和非平衡熱力學理論；第五章介紹壓力驅動膜技術原理和應用；第六章介紹離子交換膜結構、性能、製備方法及其相關技術；第七章則針對所有膜過程中污染和濃差極化現象的原因、表徵和預防措施進行介紹，涉及到過程的維護和膜的保養；第八章介紹一些新型膜技術，如膜控制釋放、滲透汽化、膜接觸器、膜反應器、親和膜等。本教程還在每章節中附上了一定數量的例題和大量的習題。另外，書後有四個附錄：附錄一以國外文獻為基礎，對膜過程的基本術語進行分類彙總；附錄二列出了一些主要的網上膜學術資源和膜工業站點，以適應信息發展的需要；附錄三列出了主要的膜學著作，以方便讀者查閲；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。本教程既適用於本科生、研究生的教學，也可供工程技術、設計、研究人員參閲。

第1章 概論

1.1 膜的定義

1.2 膜的分類

1.3 膜的發展歷史

1.4 商業化膜分離過程特徵及其優先研究課題

1.5 今後的研究開發趨勢

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 膜材料的選擇及表徵

2.4 膜材料的物化穩定性

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 膜製備化學

3.1 對稱膜

3.2 微孔膜

3.3 非對稱膜

3.4 荷電膜

3.5 液膜的製備

3.6 無機膜的製備

3.7 分子篩膜的製備方法

3.8 無機-有機雜化膜的製備方法

3.9 相轉化法濕法成膜機理與相圖分析

3.10 後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傳質方程

4.6 膜相傳遞模型的統一

參考文獻

習題

第五章 壓力驅動膜技術簡介

……

第六章 離子交換膜及其相關技術

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 其他膜技術簡介

附錄1：膜學中的相關術語

附錄2：膜及其相關領域的主要著作一覽

附錄3：網上膜資源

附錄4：部分研究生《膜科學與膜技術》課程論文選登

徐銅文，教授，博士生導師，1967年8月生於安徽霍邱。1989年9月獲合肥工業大學化學學士學位，1992年9月獲合肥工業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後研究，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後在東京大學（2000）、東京工業大學（2001）進行學術訪問研究。主要從事膜技術及其相關過程、化工傳遞方面的研究。現主持國家自然基金面上項目《多層結構雙極膜的傳質與催化水解離機理》、《新型系列荷正電納濾膜的製備及結構優化》兩項，省部級項目三項，已完成各類項目六項，發表論文50餘篇，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。現指導碩士研究生4名，博士研究生2名。

前言

1997年夏季，我從南開大學博士後化學流動站出站，來到中國科學技術大學化學與材料科學學院工作。第二年在應用化學專業為本科生開設了《膜化學與膜技術》課程，由於教學反應很好，該課程很快由當初的選修課升為專業必修課，併成為《化學工程》的後續課程。1999年又為研究生開設了相關選修課程《膜科學與膜技術》。在講授這兩門課的過程中，我參閲了大最的文獻資料，感覺到：多數膜學著作的對象是在膜方面有一定基礎的科研人員和工程技術人員，缺少將基本化學原理與膜現象結合起來並有大量例題和習題的膜學教材。於是萌發{編一本適合於本科生和研究生教學的膜學教程的念頭。}

在隨後的歲月裏，本科生《膜化學與膜技術》課程的教學範圍從應用化學專業的本科生又擴展到化學專業的本科生。同時由於中國科學技術大學承擔部分中國科學院下屬院所研究生的基礎課程教學任務，研究生選課的人數也在不斷增加，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願望更加強烈。恰在此時，中國科學技術大學進行教學改革，準備資助一批“十五”教材立項工作，我的申請很快獲得批准，並列入“十五”期間教材出版規劃首批資助對象，我的願望終於實現，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邊緣學科，要想在本教程中包括所有的膜學內容幾乎是不可能的。為此本教程着眼於化學基本原理與膜學內容的緊密結合：第一章為膜學概論，介紹膜的發展進程和主要膜過程原理；第二章將膜學與材料科學結合起來，介紹多種膜材料的化學結構和特性、膜材料的穩定性、膜材料的選擇和表徵方法；第三章介紹膜的製備方法和原理，此部分內容將膜與物理化學中的相圖、相平衡聯繫起來，同時介紹了無機膜的相關內容，並用專門的篇幅介紹了目前的新膜品種即無機一有機複合/雜化膜的製備方法；本教程第四章是化學工程的昇華，介紹了膜傳遞的擴散理論和非平衡熱力學理論。如果説第二至四章是關於膜化學的知識，那麼第五至八章涉及的就是膜技術方面的內容：第五章介紹了所有壓力膜技術原理和應用；第六章介紹離子交換膜及相關技術；第七章則針對所有膜過程中污染和濃差極化現象的原因、表徵和預防措施進行介紹，涉及到過程的維護和膜的保養；第八章介紹了一些新型膜技術，兼顧到研究生教學內容和工程技術人員的實際應用。

在上述內容中，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、第三章中複合/雜化膜的製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中附上了一定數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，對膜過程的基本術語進行分類彙總；附錄二列出了一些主要的網上膜學術資源和膜工業站點，以適應信息發展的需要；附錄三列出了主要的膜學著作，以方便讀者查閲；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性，又要考慮全面性，因而參閲了大量的國內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，正是由於他們這些獨特和原創性的工作才會有本教程的存在；同時由於人力和條件的限制，對引用過程中未能一一徵得原作者的同意而表示深深的歉意，並敬請他們諒解。

本教程經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大學“十五”教材計劃立項經費的資助。同時在編著期間，作者正在執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、出版過程中所發生的費用和這些基金不無相關，對資助這些基金的部門、團體，在此我也表示最衷心的感謝!

本教程於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大學獲取了大量的膜學資料。本教程第七章中有關蛋白質污染的內容就是我在東京大學的研究1二作，第六章中雙極膜表徵方面的內容是我在東京工業大學的研究工作，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温大學的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內容。

最後我要感謝中國膜界前輩和膜界同仁，他們為中國膜科學的發展做出了非常出色的工作，使我國的膜技術研究水平上升了一個很高的台階，與發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，使我對膜學產生了濃厚的興趣。

儘管我做了諸多努力，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更多的初學者進入膜科學與技術這個神聖的殿堂，並最終成為我國膜技術後備人才和中堅力量。

徐銅文

2003年12月於中國科學技術大學