膜化学与技术教程

前言

1997年夏季，我从南开大学博士后化学流动站出站，来到中国科学技术大学化学与材料科学学院工作。第二年在应用化学专业为本科生开设了《膜化学与膜技术》课程，由于教学反应很好，该课程很快由当初的选修课升为专业必修课，并成为《化学工程》的后续课程。1999年又为研究生开设了相关选修课程《膜科学与膜技术》。在讲授这两门课的过程中，我参阅了大最的文献资料，感觉到：多数膜学著作的对象是在膜方面有一定基础的科研人员和工程技术人员，缺少将基本化学原理与膜现象结合起来并有大量例题和习题的膜学教材。于是萌发{编一本适合于本科生和研究生教学的膜学教程的念头。}

在随后的岁月里，本科生《膜化学与膜技术》课程的教学范围从应用化学专业的本科生又扩展到化学专业的本科生。同时由于中国科学技术大学承担部分中国科学院下属院所研究生的基础课程教学任务，研究生选课的人数也在不断增加，既有科大本部的研究生，也有科学院下属院所如大连化物所、上海原子核所、上海有机所、上海硅酸盐所、武汉物理所、科学院合肥分院的研究生。因此我编写膜学教材的愿望更加强烈。恰在此时，中国科学技术大学进行教学改革，准备资助一批“十五”教材立项工作，我的申请很快获得批准，并列入“十五”期间教材出版规划首批资助对象，我的愿望终于实现，这本膜学教程由此而诞生。

众所周知，膜学是一门涉及多学科的高新技术边缘学科，要想在本教程中包括所有的膜学内容几乎是不可能的。为此本教程着眼于化学基本原理与膜学内容的紧密结合：第一章为膜学概论，介绍膜的发展进程和主要膜过程原理；第二章将膜学与材料科学结合起来，介绍多种膜材料的化学结构和特性、膜材料的稳定性、膜材料的选择和表征方法；第三章介绍膜的制备方法和原理，此部分内容将膜与物理化学中的相图、相平衡联系起来，同时介绍了无机膜的相关内容，并用专门的篇幅介绍了目前的新膜品种即无机一有机复合/杂化膜的制备方法；本教程第四章是化学工程的升华，介绍了膜传递的扩散理论和非平衡热力学理论。如果说第二至四章是关于膜化学的知识，那么第五至八章涉及的就是膜技术方面的内容：第五章介绍了所有压力膜技术原理和应用；第六章介绍离子交换膜及相关技术；第七章则针对所有膜过程中污染和浓差极化现象的原因、表征和预防措施进行介绍，涉及到过程的维护和膜的保养；第八章介绍了一些新型膜技术，兼顾到研究生教学内容和工程技术人员的实际应用。

在上述内容中，有一部分是作者所在课题组多年的研究成果，如第二章中涉及到聚苯醚膜材料部分、第三章中复合/杂化膜的制备和部分有机膜电镜分析、第五章的部分应用示例、第六章的电膜部分、第七章的蛋白质吸附部分、第八章的膜控制释放部分。本教程还特别在每章节中附上了一定数量的例题和大量的习题。另外，本教程有四个附录：附录一以国外文献为基础，对膜过程的基本术语进行分类汇总；附录二列出了一些主要的网上膜学术资源和膜工业站点，以适应信息发展的需要；附录三列出了主要的膜学著作，以方便读者查阅；附录四选登了往届研究生选修本课程时撰写的部分论文，供研究生教学参考。

在本教程的编著过程中，既要考虑知识的基础性，又要考虑全面性，因而参阅了大量的国内外膜专家的专著和论文。在此，我对这些文献的作者表示最衷心的感谢和敬意，正是由于他们这些独特和原创性的工作才会有本教程的存在；同时由于人力和条件的限制，对引用过程中未能一一征得原作者的同意而表示深深的歉意，并敬请他们谅解。

本教程经国家海洋局杭州水处理中心高从增院士和莫剑雄研究员认真审订，提出了诸多宝贵的修改意见，特别是高从增院士还为本教程提供了一定数量的例题。对这两位膜界前辈辛勤的工作，我表示最诚挚的谢意。

本教程得到了中国科学技术大学“十五”教材计划立项经费的资助。同时在编著期间，作者正在执行国家自然科学基金课题(编号29976040，20106015)的研究工作。本教程编著、出版过程中所发生的费用和这些基金不无相关，对资助这些基金的部门、团体，在此我也表示最衷心的感谢!

本教程于2000年动笔，2003年6月完成初稿，在此期间，我从东京大学和东京工业大学获取了大量的膜学资料。本教程第七章中有关蛋白质污染的内容就是我在东京大学的研究1二作，第六章中双极膜表征方面的内容是我在东京工业大学的研究工作，在此对接待我做合作研究的东京大学化工系中尾真一(S．Nakao)教授和东京工业大学有机化学和高分子系的谷刚名彦(A．Tanioka)教授表示最衷心的谢意。同时我还要感谢荷兰吐温大学的A．B．J．Kemperman博士，他为我寄来了他们研究小组(欧洲膜研究院)的多篇博士论文和专著，极大地充实了本教程第三章、第六章和第七章的相关内容。

最后我要感谢中国膜界前辈和膜界同仁，他们为中国膜科学的发展做出了非常出色的工作，使我国的膜技术研究水平上升了一个很高的台阶，与发达国家的差距越来越小。是他们营造了一个编辑出版本教程的良好氛围；也是受他们的影响，使我对膜学产生了浓厚的兴趣。

尽管我做了诸多努力，本教程也非尽善尽美，错误和遗漏之处难免，衷心欢迎读者提出批评和建议。我希望本教程能引领更多的初学者进入膜科学与技术这个神圣的殿堂，并最终成为我国膜技术后备人才和中坚力量。

徐铜文

2003年12月于中国科学技术大学

书摘2100433B

徐铜文，教授，博士生导师，1967年8月生于安徽霍邱。1989年9月获合肥工业大学化学学士学位，1992年9月获合肥工业大学应用化学硕士学位，1992年10月获天津大学化学工程博士学位，1992.6-1997.6在南开大学高分子化学研究所从事博士后研究，1997年6月来中国科技大学化学与材料科学学院工作，期间作为访问学者先后在东京大学（2000）、东京工业大学（2001）进行学术访问研究。主要从事膜技术及其相关过程、化工传递方面的研究。现主持国家自然基金面上项目《多层结构双极膜的传质与催化水解离机理》、《新型系列荷正电纳滤膜的制备及结构优化》两项，省部级项目三项，已完成各类项目六项，发表论文50余篇，其中《SCI》收录26篇，《EI》收录16篇，获专利一项，专著一本，合著一本。现指导硕士研究生4名，博士研究生2名。

第1章 概论

1.1 膜的定义

1.2 膜的分类

1.3 膜的发展历史

1.4 商业化膜分离过程特征及其优先研究课题

1.5 今后的研究开发趋势

参考文献

习题

第二章 膜材料化学

2.1 无机膜材料(1)

2.2 有机聚合物膜材料

2.3 膜材料的选择及表征

2.4 膜材料的物化稳定性

2.5 膜材料的改性

2.6 溶剂

2.7 添加剂

参考文献

习题

第三章 膜制备化学

3.1 对称膜

3.2 微孔膜

3.3 非对称膜

3.4 荷电膜

3.5 液膜的制备

3.6 无机膜的制备

3.7 分子筛膜的制备方法

3.8 无机-有机杂化膜的制备方法

3.9 相转化法湿法成膜机理与相图分析

3.10 后处理对膜形成过程的影响

参考文献

习题

第四章 膜传递化学

4.1 膜相中的基本传递过程

4.2 推动力

4.3 非平衡热力学

4.4 膜传递理论

4.5 几种有代表性的膜内传质方程

4.6 膜相传递模型的统一

参考文献

习题

第五章 压力驱动膜技术简介

……

第六章 离子交换膜及其相关技术

第七章 膜通量下降原因分析及操作策略——浓差极化、吸附和膜污染化学

第八章 其他膜技术简介

附录1：膜学中的相关术语

附录2：膜及其相关领域的主要著作一览

附录3：网上膜资源

附录4：部分研究生《膜科学与膜技术》课程论文选登

MCR膜化学反应器简称。

外文名

MCR

产品类型

新型水处理装置

膜化学反应器是在MBR 基础上发展起来的一种新型水处理装置，是将化学处理工艺与膜分离工艺加以结合，使得传统的化学反应效率得以提高。2100433B

本书主要内容是有关现代膜技术与制膜工艺实例。既重点介绍现代膜技术的基本特性、膜材料与制膜工艺兼顾、制膜工艺的分类等，也阐述了无机膜的制备技术与方法；典型无机膜的制备工艺实例；有机膜的制备方法；典型有机膜的制备工艺实例；各种膜组件的制备工艺与实例；生物膜法过滤技术及无机/有机膜应用。

本书从基础理论到膜技术都做了系统全面的阐述，有理论又有对实践应用的指导，对中国现代膜技术与环境事业的引导发展以及新型生态材料学的孵化发展均颇有裨益。

本书可供从事膜分离技术研究、生产以及使用膜技术的企事业单位工程技术人员、管理人员使用，也可供大专院校学生及其他相关专业的工程技术人员使用。