膜科学技术过程与原理
薄膜的工艺原理
薄膜的工艺原理薄膜工艺是一种制备薄膜材料的技术方法，通过将材料沉积在基底上形成薄膜。
这种技术广泛应用于电子器件、光学器件、太阳能电池等领域。
薄膜工艺主要包括物理蒸发、化学气相沉积、溅射和激光热解等几种不同的方法。
本文将详细介绍薄膜工艺的原理及其应用。
首先，物理蒸发是一种将材料以气态形式沉积在基底上的方法。
这种方法通常利用电子束蒸发、磁控溅射或激光蒸发等方式将材料加热到高温，使其形成气态，并在真空环境中使其沉积在基底上。
由于物理蒸发过程中材料处于高能态，因此薄膜具有高纯度、致密的特点。
物理蒸发除了可以制备金属薄膜外，还可以制备氧化物薄膜、硫化物薄膜等。
其次，化学气相沉积是一种将气态试剂在基底上发生化学反应生成薄膜的方法。
化学气相沉积通常利用载气将气态试剂输送到基底上，并在基底表面发生化学反应，形成所需的薄膜。
化学气相沉积可以制备多种薄膜材料，如金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
化学气相沉积具有高生长速率、较好的均匀性和良好的控制性能。
再次，溅射是一种利用离子轰击的方法使材料从靶点上剥离并沉积在基底上的方法。
溅射可以通过直流溅射、射频溅射或磁控溅射等方式进行。
在溅射过程中，离子轰击靶材使其失去原子，这些原子以高能态迅速扩散并沉积在基底上。
通过调整溅射过程中离子轰击能量和靶材的成分，可以得到所需的材料薄膜。
溅射可以制备金属薄膜、合金薄膜、氧化物薄膜等。
最后，激光热解是一种利用激光照射材料使其发生热解反应并沉积在基底上的方法。
激光热解可以通过激光脉冲击穿材料表面，产生高能态的离子和原子，然后沉积在基底上。
激光热解具有高分辨率、高制备速率和良好的控制性能。
激光热解可以制备金属薄膜、碳化物薄膜、氮化物薄膜等。
薄膜工艺在很多领域都有广泛应用。
在电子器件制备中，薄膜可以用于制备电极、蓄电池、显示器件等。
在光学器件制备中，薄膜可以用于制备反射镜、透镜、滤光片等。
在太阳能电池制备中，薄膜可以用于制备光伏层和透明导电层。
膜制备技术
第一章绪论1.1膜科学与技术的发展和现状1.1.1引言膜广泛存在于自然界中。
在生物体内,膜是恒久的、一切生命活动的基础。
在生活和生产实践中,人们也早己不自觉地接触和应用了膜过程,我国汉代的《淮南子》已有制豆腐的记叙,这可以说是人类利用天然物制得食用“人工薄膜”的最早记载。
但是,人类对膜的真正认识和研究却较晚,1784年法国学者阿贝.诺伦特(AbbeNollet)发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胧内,首次发现并证实了膜的渗透现象:近200年后,杜布福特(Duburnfaut)1963年制成了第一个膜渗析器,从此开创了膜分离技术的新纪元。
1997年世界分离膜制品市场超过40亿美元,其中美国约为11亿美元,欧9.7亿美元,日本超过10亿美元。
表1.1是世界各地区膜市场的构成情况:表1-1膜类型美国欧洲日本微滤 34% 31.8% 32%超滤 17% 9.8% 5.7%透析 17% 40.6% 39.6%反渗透 16.3% 7.3% 6.6%其他 15.7% 10.5% 16.1%由表1-1中可以看出,微滤、超滤、反渗透及透析膜仍居膜市场的主要地位, 但近年来纳滤、气体分离及渗透汽化等种类的膜的应用也在不断扩展。
膜分离技术除了目前已普遍应用于化工、电子、纺织、轻工、冶金、石油食品、医药等领域外,还将在节能技术、环保技术、清洁生产等领域发挥重要作用。
我国水资源十分紧张,水污染严重,随着对环境要求的不断提高,膜分离技术在工业废水处理方面将具有重大意义。
1.1.2膜的定义和分类目前,膜还没有一个精确、完整的定义。
一种最通用的“膜”的广义定义“两相之间的一个不连续区间,具有选择透过性”以,。
由于膜的种类和功能繁多,分类方法有多种:按形态膜可分为气相态、液相态、固相态或它们的组合:按膜内结构膜可分为均质或非均质膜、对称或非对称膜:按电性可以分为中性膜或荷电性膜。
图1-1是一种按膜的来源、形态和结构分类的示意图:图1-1根据物态,膜可分为固膜、液膜与气膜三大类,目前大规模工业应用的多为固态膜,液膜己有中试规模的工业应用(主要用于废水处理),气膜尚处于实验研究中。
薄膜的制备及其特性测试
图1 双靶反应磁控溅射原理图 如图，双靶法同时安装两块靶材互为阴阳极进行轮回溅射镀膜 如图，
1.4、射频反应磁控溅射 1.4、
在一定气压下，在阴阳极之间施加交流电压，当其频率 增高到射频频率时即可产生稳定的射频辉光放电。射频辉光 放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量， 所以减小了放电对二次电子的依赖，并且能有效降低击穿电 压。射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要 求是导电体，可以溅射任何材料，因此射频辉光放电广泛用 于介质的溅射。频率在5～30MHz都称为射频频率。
透光率是透明薄膜的一项非常重要的光学性能指标， 透光率是透明薄膜的一项非常重要的光学性能指标，透光 率是指以透过材料的光通量与入射的光通量之比的百分数表示， 率是指以透过材料的光通量与入射的光通量之比的百分数表示，在 测试中采用相对测量原理，将通过透明薄膜的光通量记为T2 T2， 测试中采用相对测量原理，将通过透明薄膜的光通量记为T2，在没 有放入透明薄膜的光通量记为T1 那么薄膜的透光率为： T1， 有放入透明薄膜的光通量记为T1，那么薄膜的透光率为： Tt =T2/T1⊆ 其中，T1，T2均为测量相对值 均为测量相对值） =T2/T1⊆100% （其中，T1，T2均为测量相对值） 一般用来测量透过率的仪器有透过率雾度测试仪和分光光 度计法， 度计法，其原理图分别如下
1.5、化学气相沉积(CVD)法 (CVD) 1.5、化学气相沉积(CVD)法
化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD(Chemical V apor Deposition)技术。这种技术是把含有构成薄膜元素的一种 或几种化合物质气体供给基片，利用加热等离子体、紫外光乃至 激光等能源，借助气体在基片表面的化学反应(热分解或化学合 成)生成要求的薄膜。例如下图是利用化学气相沉淀法制备ITO的 原理结构图
膜科学与技术1
1995 Marcel Mulder. Basic Principles of Membrane Technology, second edition. 。
6. 按仅处理供的学物质习: 参考，请勿侵权
液体分离膜 , 气体分离膜
7. 按是否带电:
荷电膜, 中性膜
10
1.4 膜过程定义与一般特征
• 膜过程是组分在某种推动
推动力
力的作用仅下供，学在由习膜参隔开考，请勿侵权
的两相之间的传递。
流
流
体
体
2 1
• 通过膜过程，膜的功能得以
膜
实现。
11
1.5 膜过程分类
– –
吸萃附取，，仅吸结收晶供，—学—吸亲收习和—性—参不溶同解考性，不同请勿侵权
– 电泳——电荷不同
– 过滤——颗粒大小不同
– 沉降——重力不同
– 离心分离——密度不同
17
膜分离过程依据的物性差别
1. 依分子大小的差别。可认为是过滤的延续，如 MF，UF，及部分RO，NF，GS等。
膜分离与仅一般供过学滤的习数量参级考比较，： 请勿侵权
的景色。意译法：太阳升起，山林里雾气开始消散，烟云聚拢，山谷又开始显得昏暗，清晨自暗而明，薄暮又自明而暗，如此暗明变化的，就是山中的朝暮。春天野花绽开并散发出阵阵幽香，夏日佳树繁茂
并形成一片浓荫，秋天风高气爽，霜色洁白，冬日水枯而石底上露，如此，就是山中的四季。【教学提示】翻译有直译与意译两种方式，直译锻炼学生用语的准确性，但可能会降低译文的美感；意译可加强
《膜科学与技术》思考题
《膜科学与技术》思考题第一章导论1．什么是膜分离过程，用图加以解释。
答：膜分离过程以选择透过性膜（固体、液体、气体）为分离介质，当膜两侧存在某种推动力时，原料侧的组分选则性地透过膜以达到分离和提纯的目的。
2．膜分离过程的特点是什么？与传统分离过程相比最明显的优势在哪里？答：1. 是一个高效的分离过程。
分离系数高达80。
2. 能耗低。
被分离物质不发生相变化，分离过程通常在常温下进行。
3. 设备简单，占地面积小，操作十分便捷，可靠度高。
4 放大效应小。
设备的规模和处理能力可在很大程度上变化，而效率、设备的单价和运行费用变化不大。
3．膜分离技术主要的分离过程有哪些？这些过程所分离的对象是属于哪种状态的物质？答：反渗透Reverse Osmosis (RO) : 分离离子例如：海水脱盐、纯水制备超滤Ultra filtration (UF) ：分离分子例如：果汁的澄清、含油废水处理微滤Micro filtration (MF) ：分离粒子例如：城市污水处理气体分离Gas Permeation (GP) ：分离气体分子例如：富集氧气、氢气回收4．画出膜组件的示意图，标出各物流名称。
5．膜组件有哪几种形式？中空纤维膜组件(Hollow Fiber Module螺旋卷式膜组件(Spiral Wound Module)管式膜组件(Tubular Module平板式膜组件(Plate and Frame Module)毛细管式膜组件(Capillary Module)6．60年代，Souriajan –Lone 研制的是什么膜？60年代,Lobe 和Souriajan 共同研制了具有高脱盐率和高透水量的非对称醋酸纤维素(CA)膜,使反渗透过程由实验室转向工业应用.与此同时,这种用相转化技术制备的具有超薄分离皮层膜的新工艺引起了学术和工业界的广泛重视,在它的推动下,随后迅速掀起了一个研究各种分离膜和发展各种膜过程的高潮.7．R O、UF、GS分别代表哪些膜过程？RO—表示反渗透过程UF—表示超滤GS—表示气体分离过程第二章膜材料和膜的制备1．选择膜材料要考虑哪些方面的因素？答：具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、耐微生物性、耐氧化性。
浸入沉淀相转化法制膜
浸入沉淀相转化法制膜一、本文概述本文将全面介绍“浸入沉淀相转化法制膜”的原理、过程、影响因素以及应用前景。
浸入沉淀相转化法是一种重要的膜制备技术，通过控制溶液中的化学反应，使溶质在基材表面形成一层具有特定结构和功能的膜层。
这种方法具有操作简便、成膜均匀、可调控性强等优点，因此在膜分离、水处理、化学反应控制等领域具有广泛的应用。
本文将从理论和实验两个方面对浸入沉淀相转化法制膜进行深入研究，以期为该技术的进一步优化和应用提供有益的参考。
二、浸入沉淀相转化法制膜技术概述浸入沉淀相转化法（Dip-Coating and Phase Inversion Method）是一种常用的制膜技术，尤其在制备高分子膜领域具有广泛的应用。
该方法结合了浸渍和相转化的原理，通过控制高分子溶液在支撑体上的浸渍和随后的相转化过程，实现高分子膜的形成。
浸入沉淀相转化法制备的膜材料具有优良的物理和化学性能，如高机械强度、良好的化学稳定性和渗透性等，因此在分离、过滤、膜反应等多个领域具有潜在的应用价值。
在浸入沉淀相转化法制膜过程中，高分子溶液首先被涂覆或浸渍在支撑体上，然后通过控制温度、溶剂蒸发速率或引入非溶剂等手段，使高分子溶液发生相转化，即从液态转变为固态，从而在支撑体上形成一层连续、均匀的高分子膜。
相转化的过程涉及到高分子链的重新排列和聚集，以及溶剂与非溶剂之间的相互作用，这些因素共同决定了最终形成的膜的结构和性能。
浸入沉淀相转化法制膜的优点在于操作简单、易于控制膜的厚度和结构，并且可以通过调整溶液组成、浸渍条件和相转化参数来调控膜的微观结构和性能。
该方法还适用于制备多层复合膜和功能性膜材料，通过在不同层之间引入不同的高分子或添加剂，可以实现膜材料性能的定制和优化。
然而，浸入沉淀相转化法制膜也存在一些挑战和限制。
例如，在相转化过程中可能会出现膜材料收缩、开裂或缺陷等问题，这些都会影响膜的完整性和性能。
对于某些特定的高分子材料，可能需要特殊的溶剂或非溶剂才能实现有效的相转化，这增加了制膜过程的复杂性和成本。
膜分离的基本原理和方法
膜分离技术在分离工程中的重要作用
膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求 低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8，因此和 蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；
膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分 离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的 合适方式：
一.膜分离的基本原理
在一个容器中,用膜把它隔成两部分,膜 的两侧是浓度不同的溶液,通常小分子的 溶剂透过膜向稀溶液侧移动.
渗析(水分、小分子溶质）渗透（仅水分）
• 在乳品工业中，膜技术主要涉及到： 反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。 毫微过滤(NF)通过除去单价的成分如钠、氯（部分 脱盐），实现有机成分的浓缩。 超滤（UF）大分子的浓缩。 微滤（MF）除去细菌，大分子分离。
• 3、无化学变化。典型的物理分离过程，不用化学试剂 和添加剂，产品不受污染；
• 4、选择性好。可在分子级内进行物质分离，具有普遍 滤材无法取代的卓越性能； 5、适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间 隙进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用 低易于自动化 。
存在的问题：
• 1、在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要 采用与工艺相适应的膜面清洗方法;
无化学变化 ：典型的物理分离过程，不用化学试剂和添
加剂，产品不受污染；
选择性好 可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代 的卓越性能； 适应性强 处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，工艺
简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。
• 膜分离是借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。膜 分离是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，以 外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行 分离、分级、提纯和浓缩的方法。分离用的膜具有选择渗透 性，也就是说，膜只能使某些分子通过，这对乳品工业具有 重要的意义，膜可以有效地把牛乳中的水分与其他成分分开。 所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一 层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能 使这两部分之间产生传质作用。
薄膜材料制备原理、技术及应用
薄膜材料制备原理、技术及应用1. 引言1.1 概述薄膜材料是一类具有微米级、甚至纳米级厚度的材料，其独特的性质和广泛的应用领域使其成为现代科学和工程中不可或缺的一部分。
薄膜材料制备原理、技术及应用是一个重要且广泛研究的领域，对于探索新材料、开发新技术以及满足社会需求具有重要意义。
本文将着重介绍薄膜材料制备的原理、常见的制备技术以及不同领域中的应用。
首先，将详细讨论涂布法、旋涂法和离子束溅射法等不同的制备原理，分析各自适用的场景和优缺点。
然后，将介绍物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及溶液法制备技术等常见的薄膜制备技术，并比较它们在不同实际应用中的优劣之处。
最后，将探讨光电子器件、传感器和生物医药领域等各个领域中对于薄膜材料的需求和应用，阐述薄膜材料在这些领域中的重要作用。
1.2 文章结构本文将按照以下顺序进行介绍：首先，在第二部分将详细介绍薄膜材料制备的原理，包括涂布法、旋涂法以及离子束溅射法等。
接着，在第三部分将探讨物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及溶液法制备技术等常见的制备技术。
然后，在第四部分将介绍薄膜材料在光电子器件、传感器和生物医药领域中的应用，包括各个领域需求和现有应用案例。
最后，在结论部分对整篇文章进行总结，并提出未来研究方向和展望。
1.3 目的本文旨在全面系统地介绍薄膜材料制备原理、技术及应用，为读者了解该领域提供一个基本知识框架。
通过本文的阐述，读者可以充分了解不同的制备原理和方法，并了解到不同领域中对于特定功能或性质的薄膜材料的需求与应用。
同时，本文还将重点突出薄膜材料在光电子器件、传感器和生物医药领域中的重要作用，以期为相关研究提供参考和启发。
以上为“1. 引言”部分内容的详细清晰撰写，请根据需要进行修改补充完善。
2. 薄膜材料制备原理：2.1 涂布法制备薄膜：涂布法是一种常见的制备薄膜的方法，它适用于各种材料的制备。
首先，将所需材料以溶解或悬浮态形式制成液体，然后利用刷子、喷雾或浸渍等方式将液体均匀地涂敷在基板上。
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用刮膜刀将铸液刮至PVDF表面， 30℃下交联约48小时至膜干
用来测试膜的有效面积为4.2×������������−������������������
模拟液中丁醇、丙酮、和乙醇的质量分数组成同发酵液中 的组成（丁醇、丙酮、乙醇质量之比6:3:1）总有机物质
量分数1.7％.）
பைடு நூலகம்Ea
图4 有机物和水通量与 温度的对数图
质量分数增大
吸附在膜表面有 机分子数增多
膜的溶胀增加， 有机物渗透阻
力降低
有机物在膜内溶 解度增大
图5 （a）料液质量分PDMS/PVDF 复合膜渗透汽化性能的影响
有机物渗透通 量增大
图5（b) 料液质量分数对 PDMS/PVDF复合膜渗透汽化性能
的影响
1、丁醇质量分数增加，疏水性的PDMS分离 层溶胀增加，丁醇渗透阻力降低 2、丁醇溶解度小，疏水性强，吸附在膜上 的丁醇阻碍水分子与膜的吸附，丁醇周围形 成水簇，增大了水分子在膜内传质推动力， 丁醇质量分数增大，水簇易形成，从而导致 分离因子增大。
为什么用渗透汽化？
（1）实现丁醇分离与浓缩过程的集成，降低后续分离成本；
（2）不引入其他物质，不影响发酵培养基的营养成分；
（3）选择性好，渗透液中丁醇质量分数高； （4）能耗低，用渗透汽化获得单位质量丁醇的 能耗是精馏法的56.9％，是气提法的63.1％。
一、材料与方法
聚二甲基硅氧烷（PDMS), 动力 学黏度10000������������������/s
硅橡胶渗透汽化复合膜在丁醇发酵中的应用
主讲人：XXX
能源的分类 风能
海洋 地热 生物 氢能
太阳能 核能
生物燃料的潜力股—丁醇
热值 性能
高
好
使用 便捷
发酵受产物丁醇的抑制，产率 和产物浓度低，过程经济性差。
制备聚二甲基硅氧烷/聚偏氟乙烯 （PDMS/PVDF)复合膜用于丙酮—乙 醇—丁醇—水体系有机成分的分离。
聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜 正硅酸乙酯（TAOS)和二月桂酸
二丁基锡 木薯粉，淀粉质量分数83.3％
正己烷、丙酮、丁醇和乙醇
中蓝晨光化工研 究院
海洋局杭州水处 理中心
Sigma公司，分 析纯
昆明和森科技有 限公司
杭州化学试剂有 限公司，分析纯
称10gPDMS溶于25g正己 烷中搅拌均匀
依次加入0.8g交联剂TAOS和0.3g催化剂二月桂酸二丁基烯， 补充加入正己烷至PDMS质量分数为25％，搅拌混合均匀
料液在一定温度下以 0.6L/min的流速通过膜的上游，膜 下游真空度控制在0.3KPa,渗透液用液氨收集
图1 复合膜渗透汽化性能测试实验装置
二、结果与讨论
PDMS
PVDF
图2 PDMS/PVDF复合膜的扫描 电镜图片
图3 料液温度对PDMS/PVDF复 合膜渗透汽化性能的影响
取 对
Ji为组分i的渗透通量，Kg/(������������.h);Jo为指 前因子； Kg/(������������.h);Ea为渗透物的表面活 化能，KJ/mol;R为气体常数,KJ/(mol.k);T 为操作温度，K.
虽然有机物质量分数增加，降低了有机物的 渗透阻力，但随着丙酮和乙醇质量分数增加， 它们和水的伴生效应增强，因丙酮和乙醇溶 解度大，因此，形成的水簇不仅自身不易透 过膜，还阻碍丙酮和乙醇透过膜，因此分离
因子降低。
图6 料液PH对复合膜渗透汽化 性能影响
pH值变化对复合 膜分离性能影响 较小，各组分分 离因子基本在一
定范围
三、复合膜在丁醇发酵过程中的应用
14.46
图7 木薯粉分批发酵过程
46.94
复合膜应用 到丁醇发酵 中能有效的 将丁醇从发 酵液中分离 出，减轻丁 醇对菌体抑 制，且实现 丁醇初步浓
缩。
三、结论 1
2