【化工科普14】解决海水淡化、空气过滤、血液透析......只要薄薄一层膜
在日常生活中,建筑工人常常用筛网筛出细沙,分出石子;农民常用簸箕扬米去糠;淘金者滤掉泥沙留下黄金,这种利用孔洞大小分离不同物质的原理,被科研人员利用,开发出了“高分子分离膜材料”。
膜的神奇特性
如今膜技术拥有高效的分离、浓缩、提纯及净化功能,相比传统的分离方法(蒸发、萃取或离子交换等)具有不可比拟的优势,在海水淡化、环境保护、石油化工、节能技术、清洁生产、医药、食品、电子领域等得到广泛应用。
而之所以具有这么强的性能,是因为高分子分离膜具有选择性透过功能,根据压力差、温度差的不同,可以将气体混合物以及溶液等分离,就像鲜榨果汁的过滤网,汁水流出,果渣剩下。
化学组成和物理结构决定了分离膜的基本特性,如氧化还原性、酸碱性、溶解性、化学稳定性、亲水性、亲油性、溶胀性等。当改变了膜材料的单体和链段的结构时,其结晶性、溶解性、溶胀性、力学性能和热学性能都会产生变化。当改变了膜材料的分子排列方式,以及晶胞的尺寸、膜的孔径和分布等因素时,膜材料的使用范围、透过性能、选择性等就会产生调整。
人类对于膜的认识来自于大自然,在动植物的细胞中存在着各种各样的生物膜,它们作为屏障为生命活动创造了稳定的内环境,承担着物质转运、信息传递和能量转换等功能,既是“保安”,又是“快递员”。
分离膜的原料
随着18世纪认识生物膜以来,人类尝试利用各种材料来实现膜分离技术,最常用的两类材料是纤维素和聚酰胺。
纤维素来自于自然环境,可再生、制备简单、易于成膜,但本身材质脆弱,易受酸碱腐蚀、不耐高温、不耐水解,压密性、抗菌性较差。
聚酰胺便是我们之前提过的世界上第一种合成纤维——尼龙,这种材料具有高机械强度、高亲水性,耐高温、耐油脂,只是容易被酸破坏。
除此之外,人们还利用聚砜类、聚四氟乙烯、丙烯制造膜材料,它们可以经受强酸、强碱、油脂及有机溶剂的腐蚀和破坏。
高分子分离膜广泛应用于海水淡化、食品浓缩、废水处理、富氧空气制备、医用超纯水制造、人工肾及人工肺装置、药物的缓释等方面。
膜技术与海水淡化
我们重点来讲讲海水淡化,在污水处理那一章我们提过,地球水储量的97%为海水和苦咸水,这些水无法直接使用,要利用海水必须经过淡化。
准确来说,海水淡化非常简单,只需要将盐和淡水分开。在荒野求生里,人们常常使用蒸馏法,也就是将水蒸发而盐留下,再将水蒸气冷凝为液态淡水。整个过程就是模拟自然界里海水通过气温蒸发成云,冷凝降水成为湖泊里的淡水。但是烧开水这个过程会消耗大量的能源,十分不划算。
1953年,人们开始利用半透膜将淡水与盐分离,对海水施以压力,就会使海水中的淡水渗透到半透膜外,而盐却被阻隔在膜里。而在生产同等质量的淡水时,此法的能源消耗仅为蒸馏法的1/40。
战国时,思想家公孙龙的“离坚白”和惠施的“合同异”共同探讨了事物的差异性和统一性。在那时,事物的属性对他们来说是神秘而混沌的,而愈加完善的分离技术,正在一点点精细人们对于事物的了解和应用,悄然改变着世界的模样。
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