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膜孔径的测定方法
费锡智
环境工程

目录
一、直接测量法
二、间接测量法
三、结论

(1)电子显微镜
扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)
电子显微镜表征膜的孔径、孔径分布及膜的形态结构。
制样至关重要。湿膜样品要经过脱水、蒸镀、复型等处理。
逐级脱水法:膜样品用5%锇酸固定,l4
或乙醇逐级脱水,再用环氧树脂包埋固化,最后用超薄切片
机切成薄片。适用透射电子显微镜的观察。
低温冷冻脱水法:膜样品放在液氮或其他低温介质中冷冻,
使膜样品中的水急速冷冻为细小的结晶,然后在低温(至少
低于-60°C)和低真空下,使冷冻的结晶逐级升华。这样制备
的膜样品不收缩,经镀金或复型,可用电子显微镜观测。
一、直接测量法
3-4Å
-10μm ,扫描电镜可分辨。
超滤膜的孔径为1nm-30nm ,扫描电镜的分辨率低于
5-10nmnm,所以采用扫描电镜观测超滤膜的结构是困难的。
透射电镜的分辨率比扫描电镜要高得多,约为
正确制样,高分辨率的透射电镜可以观测超滤膜的表面细
微结构。
环境扫描电子显微镜(ESEM),克服了常规SEM
的局限性。使湿的、油性的、脏的和不导电的样品不经处
理就可直接上机观测。
二、间接测量法
间接法是利用与孔径有关的物理现象,通过实验测出相应的物理参数,在假设孔径为均匀直通圆孔的假设条件下,计算得到膜的等效孔径,主要方法有泡点压力法、压汞法、氮气吸附法、液液置换法、气体渗透法、截留分子量法、悬浮液过滤法[1]。
[1]张艳萍,潘献辉等中空纤维微滤膜孔径检测方法研究[J] 膜科学与技术 2013年6月第3期第33卷
(1)泡点法
基本假设:膜孔截面为圆形。由固一液界面理论(拉普拉斯)
最大孔径d=2r*Cos接触角/P
用气体对该液体施加一外界压力, 当气体压力差p=△P时, 液体被排出毛细管,
因此毛细管的半径
N/m;
p—— Pa;
k——
泡点法测定微孔滤膜孔径
原理当气体通过充满了液体的膜孔时,若气体的压力与
膜孔内液体的界面张力相等,则孔内的液体逸出,
即得泡点压力与膜的孔径之间关系:
D= 4σk cosθ/p
式中 D——膜孔直径,μm;
σ——液体表面张力,
——气体压力,
——液体与孔壁间的接触角,(ºC);
——孔形修正因子。
泡点压力所对应膜的最大孔径。实测时,膜应被液体完全
润湿,否则将带来误差。
亲水性膜采用水为润湿液体;
疏水性膜采用醇为润湿液体。
θ
测定步骤
a 将样品平行于液面浸入蒸馏水中,使其完全湿润
b 将滤膜置于测试池上,压上光滑的多孔板
c 在多孔板上加入3-5mm深的水
d 开通气源,使压力缓慢上升,当滤膜表面出现第—个气泡并
连续出泡时的气体压力值,带入公式可求出样品最大孔径值。
e 气泡出现最多时的压力值,带入公式可求出样品最小孔径。
f 由最大孔径与最小孔径即可算出平均孔径。
(2)压汞法
压汞法(Mercury intrusion porosimetry 简称MIP),又称汞孔隙率法。是测定部分中孔和大孔孔径分布的方法。基本原理是,汞对一般固体不润湿,欲使汞进入孔需施加外压,外压越大,汞能进入的孔半径越小。测量不同外压下进入孔中汞的量即可知相应孔大小的孔体积。目前所用压汞仪使用压力最大约200MPa,~750nm。
汞注入法(压汞法)
汞注入法是泡点法的一种。该方法是把汞注入干膜中,并在不同压力下测定汞的体积。压力和孔径的关系仍满足Laplace方程。由于汞不同润湿膜(接触角大于90度),,汞/,因此Laplace变为:
由于汞的体积可以准确测定,所以可以很准确地测定出孔径分布。