有機/無機雜化膜的研究現狀

鄒立寅

上海同濟科藍環保設備工程有限公司，上海 202100

隨著新型膜工藝的不斷開發，高效、環保的膜材料已經在許多領域得到了廣泛應用，膜分離技術也因此被認為是“20世紀到21 世紀中期最有發展前途的高新技術之一”。目前，常用的膜材料為單一材料，比如有機膜材料和無機膜材料。其中，有機膜材料密度低、成膜性好、價格低廉，但是機械強度較差，在高溫、強酸、強堿和高濃度有機溶劑條件下，易發生膜孔堵塞，從而縮減膜的使用壽命。因此，在許多條件苛刻的環境中有機膜材料并不適用。相反，無機膜材料的機械強度高，耐溶劑、耐高溫的能力強，具有較高的膜滲透通量和分離效率，但其成膜性差，質脆，且制作成本較高。為了克服單一材料在制作、性能以及應用方面的不足，有機/無機雜化膜作為一種復合的膜材料開始成為新的研究熱點。

制備有機/無機膜雜化膜常用的有機材料有：纖維素類、聚砜（PSF）、聚 偏 氟 乙 烯（PVDF）、聚醚砜（PES）、聚氨酯（PU）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇（PVA）、殼聚糖（CS）等，無機材料有陶瓷粉體（如氧化鋯）、活性炭等一般粒子以及納米氧化硅、納米氧化鋁和納米氧化鈦等納米粒子。

1 有機/無機雜化膜的分類

有機/無機雜化膜的分類方式很多，比如可以按照雜化組分的性質、雜化組分數目、雜化體系的相分離狀態、膜負載情況以及有機相和無機相的相互作用等來劃分。按照有機相和無機相的相互作用可將雜化膜分為兩類：

1）有機/無機組分之間以次價鍵結合。即雜化膜中有機相和無機相以氫鍵或范德華力等次價鍵為結合方式。這類雜化膜大多為無機粒子填充型雜化膜，無機粒子作為增強相，均勻的分散在有機膜之中。研究表明在有機材料中摻入少量無機填料將有利于抑制大孔生長，增加膜表面的孔隙率以及孔間的貫通性，從而提高滲透通量，為膜的再生和循環利用提供可能。此類雜化膜制備簡單，反應條件溫和，常用的方法是共混法；

2）有機/無機組分以化學鍵結合。即雜化膜中有機相和無機相以共價鍵、離子共價鍵等化學鍵為結合方式。這類雜化膜一般將無機前驅體或者官能化的納米無機粒子與有機相通過共價鍵或者離子共價鍵結合，得到均相雜化膜或者復合雜化膜。此類雜化膜中無機粒子均勻分散，與有機組分結合緊密，相容性較高。

2 有機/無機雜化膜的制備方法

在物化性質方面，有機材料和無機材料差異懸殊，兩者的相界面之間存在較大自由能，因此，制備均質化的有機/無機雜化膜并不能用傳統的方法來實現。目前，常用的制備方法主要有：共混法、溶膠-凝膠法（Sol-Gel）、原位聚合法（In-Situ）、分子自組裝法（SA）、插層法（Intercalation）、直接分散法、熱噴射涂膜法等。其中，前三類是比較常用的方法。

1）共混法

共混法是制備雜化膜最簡單最常用的方法，一般直接將細微無機粒子加入高分子鑄膜液中，通過攪拌、超聲等方法使其分散。但是，簡單的機械分散方法效果并不理想，無機顆粒在鑄膜液中容易團聚，影響了雜化膜材料的均勻化。因此，一般共混前要對無機顆粒采取表面處理或改性，從而防止無機顆粒的團聚現象。

2）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以金屬有機化合物(一般為金屬醇鹽) 和部分無機鹽為先驅體，首先將先驅體溶于水或有機溶劑中制成均勻溶液，其次，通過水解縮合反應生成溶膠粒子，溶膠粒子聚集、成長形成凝膠，最后經干燥凝膠化作用成膜。此方法反應條件溫和、工藝簡單，所得材料結構可控，但缺點是無機源（正硅酸乙酯和鈦酸丁酯）單一、有毒性且價格較高。

3）原位聚合法

原位聚合法的一般過程是將納米粒子與有機單體均勻混合，然后在適當的條件下引發單體聚合。其中，聚合方式主要包括懸浮聚合、分散聚合以及乳液聚合(如物皂乳液聚合、種子聚合) 等。原位生成法中雖然沒有發生共價鍵交聯，但是由于納米粒子在有機相中的分散性較好，因此也可以制得均勻的有機/無機雜化膜 。

3 有機/無機雜化膜的特征

有機/無機雜化膜是在有機基體中引入無機組分的一種新型膜，此類膜不僅兼具了有機膜和無機膜的許多優點，而且又具有一些新的性能。有機/無機雜化膜可增強膜的機械強度，提高膜的熱穩定性、耐溶劑性、選擇性和滲透性，調整親-疏水平衡，改善和修飾膜的孔結構和分布等等。其中，良好的抗污染性能和分離性能使得有機/無機雜化膜在應用上具有更強的競爭力。

4 結論

目前，新型的有機/無機雜化膜已經在氣體分離、反滲透、滲透蒸發、金屬離子分離等領域得到了應用。但是，其機理方面的研究仍然不足，有機組分和無機組分之間的結合力有待提高，無機粒子的團聚現象、從膜表面脫落現象也需要改進，同時還要盡量提高雜化膜的使用壽命。相信隨著研究地不斷深入，這些不足和缺陷都將被解決，更多物化性質穩定、分離性能好、抗污染能力強的有機/無機雜化膜將會被研制成功并在更多的領域中得到應用。

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