先进化工材料关键技术丛书--有机-无机复合分离膜

膜分离技术具有高效节能等特点，在水处理、食品加工、医药、过程工业等领域得到了广泛的应用，用于分子分离的膜技术近年来受到越来越多的关注。水处理膜材料是解决海水淡化、废水治理问题的有效手段，对于保障饮用水安全具有重大意义；气体分离膜在天然气纯化、烯烃/烷烃分离领域具有广阔的应用前景，有助于实现工业分离中的节能减排。
分子分离技术的重要需求之一是具有高渗透系数、高选择性和长期稳定性的膜材料。到目前为止，研究者发现在传统膜材料中普遍存在渗透系数和选择性之间的权衡。克服这种性能限制的工作通常是基于材料化学或纳米结构的设计和调控，以实现对目标渗透分子的优先吸附和扩散。有机-无机复合分离膜结合了有机材料和无机材料的特性，被认为是膜技术和化学工程领域的研究热点，但目前还缺少这种复合分离膜相关的中文专著。为此，在我们已出版的英文专著（Organic-inorganic composite membranes for molecular separation, World Scientific, 2017）基础上，结合本课题组在有机-无机复合分离膜的最新研究成果，我们撰写本书，旨在全面介绍用于分子分离的有机-无机复合分离膜的设计、制备和应用。
第一章概述了有机-无机复合分离膜的提出及其发展历程，第二章简要介绍了渗透汽化和气体分离膜的基本原理，第三章介绍了以亲水或亲有机聚合物为分离层的聚合物/陶瓷复合膜，第四章讨论了金属有机骨架膜的新型制备方法和应用进展，第五章介绍了具有快速、选择性的水和气体传输通道的石墨烯膜的研究进展，第六章介绍了基于沸石、二氧化硅、金属有机骨架、氧化石墨烯等不同纳米粒子的混合基质膜的设计与制备，第七章介绍了一些原位表征有机-无机复合分离膜纳米结构的新技术，第八章介绍了有机-无机复合分离膜的放大制备及其实际应用。
本课题组在徐南平院士的指导下，于2003年开始了有机-无机复合分离膜的研究。这项工作得到了国家“973计划”（2003CB615702、2009CB623406）、教育部研究团队项目（IRT13070）、国家自然科学基金（21776125、21490585、21176115、21476107、21406107）等项目的支持，相关研究成果获得了教育部自然科学奖一等奖（2018年）、江苏省科学技术奖一等奖（2018年）。同时，我们要感谢南京工业大学膜科学技术研究所的所有同事的支持和帮助。
最后，我们谨向为本书中的研究和编辑工作做出贡献的团队成员表示衷心感谢。

金万勤
南京工业大学
2021年8月

金万勤，南京工业大学化工学院教授，材料化学工程国家重点实验室常务副主任，“973计划”首席科学家，国家自然科学基金重大项目、教育部创新团队负责人，英国皇家化学会会士。主持10余项国家级科研项目，在Nature、Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、AIChE J.、J. Membr.Sci.、Chem. Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文300多篇，被引用14000多次，出版中英文专著各1部，获授权发明专利37件。担任膜领域权威期刊Journal of Membrane Science编委。以第一完成人获教育部自然科学奖一等奖，2019年获英国化学工程学会（IChemE）颁发的分离科学领域的Underwood奖章。
刘公平，南京工业大学化工学院教授，国家优秀青年基金获得者。2013年在南京工业大学化工学院获工学博士学位，之后留校工作至今，2015～2017年前往美国佐治亚理工学院从事博士后研究。主要研究方向是设计制备面向分子尺度分离的混合基质膜和二维材料膜。在Nature Mater.、Nature Commun.、Angew. Chem.、AIChE J.、J. Membr. Sci.等期刊发表SCI论文110余篇，担任BMC Chemical Engineering编委。

《有机- 无机复合分离膜》是“先进化工材料关键技术丛书”的一个分册，旨在系统、全面地介绍当前有机- 无机复合分离膜领域的最新研究成果和工业应用现状，进一步加快膜材料的技术创新和规模化应用。
本书是多项国家和省部级成果的系统总结。全书共8章，以材料类别为主线，介绍了多种有机- 无机复合分离膜的制备、表征及应用。具体包括绪论、膜分离原理、聚合物/陶瓷复合膜、金属有机骨架膜、石墨烯膜、混合基质膜、新型表征技术和膜的大规模制备与工业应用。本书所涉及的部分技术面向国家重大需求，特别是在传统行业升级，水资源、能源和环境保护等领域，为我国工业发展和产业升级提供了技术保障。
《有机- 无机复合分离膜》适合化工、材料领域尤其是从事膜技术的科研人员、高校师生与工程技术人员阅读与参考。

第一章 绪论 001
第一节　膜技术在工业分离领域中的应用 002
第二节　有机-无机复合分离膜的定义及特点 003
第三节　有机-无机复合分离膜的类型及制备方法 004
一、聚合物/陶瓷复合膜 004
二、金属有机骨架膜 005
三、石墨烯膜 006
四、混合基质膜 007
第四节　技术展望 010
参考文献 011

第二章 膜分离原理 015
第一节　渗透汽化 016
一、溶解-扩散 016
二、串联阻力模型 016
三、渗透汽化性能评价 018
四、操作条件对渗透汽化性能的影响 020
第二节　气体分离 020
一、溶解-扩散 021
二、努森扩散 021
三、分子筛分 021
四、促进传递 022
五、气体分离性能评价 022
六、操作条件对气体分离性能的影响 025
第三节　纳滤 025
一、纳滤分离机理 025
二、纳滤膜性能测试和计算方法 026
三、膜表面电荷密度计算 028
四、离子与膜表面DLVO相互作用能计算 029
第四节　离子渗透 030
一、离子渗透过程 030
二、离子渗透性能评价 030
参考文献 031

第三章 聚合物/陶瓷复合膜 033
第一节　概述 034
第二节　制备与结构调控 035
一、刮涂法 036
二、浸渍提拉法 036
三、层层自组装法 037
四、界面聚合法 037
五、接枝聚合法 037
第三节　典型的膜材料 038
一、聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜 038
二、聚醚嵌段酰胺（PEBA）膜 056
三、聚乙烯醇（PVA）膜 059
四、聚电解质膜 061
第四节　应用实例 067
一、生物燃料生产 067
二、溶剂脱水 078
三、有机/有机溶剂分离 083
四、反应耦合过程 087
参考文献 092

第四章 金属有机骨架膜 097
第一节　概述 098
一、金属有机骨架材料 098
二、金属有机骨架膜简介 099
第二节　研究进展 100
一、原位生长法 100
二、二次生长法 101
三、反应晶种法 104
四、对扩散法 105
五、合成方法对比 106
第三节　金属有机骨架膜调控 110
一、合成温度 110
二、生长时间 112
三、前驱液酸碱性 113
四、支撑体影响 113
五、溶剂交换影响 113
第四节　应用实例 115
一、手性分离 115
二、气体分离 120
三、渗透汽化分离 124
四、离子截留 130
参考文献 136

第五章 石墨烯膜 141
第一节　概述 142
第二节　制备方法 143
一、压滤 143
二、旋涂和层层自组装 152
三、喷涂 155
第三节　结构修饰 158
一、氧化石墨烯（GO）膜层间通道的调控 158
二、氧化石墨烯（GO）膜表面性质调控 163
三、支撑体性质对氧化石墨烯（GO）膜性能的影响 176
第四节　膜应用 184
一、水处理 184
二、有机溶剂纳滤 197
三、渗透汽化 198
四、气体分离 203
参考文献 215

第六章 混合基质膜 219
第一节　概述 220
第二节　分子筛填料混合基质膜 222
一、沸石分子筛 222
二、金属有机骨架 224
第三节　二维填料构筑的混合基质膜 244
一、氧化石墨烯（GO）混合基质膜 244
二、类石墨相氮化碳（g-C3N4）混合基质膜 255
第四节　其他纳米颗粒构筑的混合基质膜 258
一、多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）混合基质膜 258
二、TiO2混合基质膜 266
参考文献 269

第七章 新型表征技术 273
第一节　概述 274
第二节　流动电势法：表征层层自组装生长 274
一、流动电势法的基本原理 275
二、流动电势法的应用 277
第三节　纳米压痕技术：研究界面结合力 280
一、纳米压痕技术的基本原理 281
二、纳米压痕技术的应用 284
第四节　正电子湮灭寿命谱：表征膜的自由体积 295
一、正电子湮灭寿命谱的基本原理 296
二、正电子湮灭寿命谱的应用 297
参考文献 303

第八章 膜的大规模制备与工业应用 307
第一节　概述 308
第二节　聚合物/陶瓷复合膜的放大制备 308
一、聚合物/陶瓷复合膜的制备与放大 308
二、聚合物/陶瓷复合膜的性能测试 310
三、聚合物/陶瓷复合内膜的制备 311
第三节　聚合物/陶瓷复合膜膜组件的优化设计 313
一、聚合物/陶瓷复合膜膜组件的传质效率模拟与优化 313
二、聚合物/ 陶瓷复合膜膜组件的分离性能测试 315
第四节　渗透汽化在葡萄酒生产过程中的应用 317
第五节　生物燃料生产工艺中的应用 321
一、聚合物/ 陶瓷复合膜提纯乙醇的小试测试 321
二、聚合物/ 陶瓷复合膜分离乙醇的中试应用 323
第六节　分离回收VOC工艺中的应用 326
一、聚合物/ 陶瓷复合膜分离VOC 性能测试 326
二、聚合物/ 陶瓷复合膜分离VOC 放大测试 331
三、膜分离与其他技术处理效果对比 332
参考文献 337

索引 338