超滤微滤技术的应用和原理

1、1膜技术应用超 滤2一、超滤的定义 超滤是在压差推动力作用下进行的筛超滤是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，它介于纳滤和微滤之间，膜孔分离过程，它介于纳滤和微滤之间，膜孔范围在孔范围在1nm-0.05um.3二、超滤的发展进程1.1861年年Schmidt首次公布了牛心胞薄膜首次公布了牛心胞薄膜截留可溶性阿拉伯胶的实验结果；截留可溶性阿拉伯胶的实验结果；2.1867年，年，Traube制成第一次人工膜；制成第一次人工膜；3.1907年开始使用年开始使用“超滤超滤”这一术语；这一术语；4.20世纪世纪70年代，超滤从实验规模进入工年代，超滤从实验规模进入工业化应用；业化应用；5.我国从我国从

2、20世纪世纪70年代开始研究，随后进年代开始研究，随后进入快速发展阶段。入快速发展阶段。4三、超滤的用途 超滤主要用于从液相物质中分离大分子超滤主要用于从液相物质中分离大分子化合物（蛋白质、核酸聚合物、淀粉、天然胶、化合物（蛋白质、核酸聚合物、淀粉、天然胶、酶等）、胶体分散液（粘土、颜料、矿物料、酶等）、胶体分散液（粘土、颜料、矿物料、乳液粒子、微生物）以及乳液（润滑脂、洗涤乳液粒子、微生物）以及乳液（润滑脂、洗涤剂、油水乳液）。采用先与适合的大分子结合剂、油水乳液）。采用先与适合的大分子结合的方法也可以从水溶液中分离金属离子、可溶的方法也可以从水溶液中分离金属离子、可溶性溶质和高分子物质（如

3、蛋白质、酶、病毒），性溶质和高分子物质（如蛋白质、酶、病毒），以达到净化、浓缩的目的。以达到净化、浓缩的目的。5四、超滤的基本原理 超滤的分离机理是超滤的分离机理是“筛分筛分”分子级的物质，分子级的物质，即它可截留溶液中溶解的大分子物质，而即它可截留溶液中溶解的大分子物质，而透过小分子物质。透过小分子物质。 理想的超滤膜分离是筛分过程，在压力推理想的超滤膜分离是筛分过程，在压力推动下，进料液中的溶剂和小分子溶质透过动下，进料液中的溶剂和小分子溶质透过膜进入滤液侧，溶液中的大分子物质、胶膜进入滤液侧，溶液中的大分子物质、胶体、蛋白质等被超滤膜截留浓缩。体、蛋白质等被超滤膜截留浓缩。 “筛分膜筛分

4、膜”和和“深层膜深层膜”的比较的比较678910五、超滤膜的特性1.超滤膜按形态结构可分两类：对称膜和非对称膜2.超滤膜的分离特性：透过通量（速度）和截留率（分离效果）3.超滤膜的材料：1）有机高分子材料（纤维素衍生物、聚砜类、乙烯类聚合物、含氟类聚合物）2）无机材料（多孔金属、多孔陶瓷、分子筛）114.超滤膜的制备 有机高分子超滤膜采用相转化法、拉伸法、复合膜法、烧结法、核径迹法等 无机超滤膜采用固体粒子烧结法、溶胶凝胶法、阳极氧化法、动态膜法、薄膜沉积法、水热法等；12六、超滤膜的污染及控制1.膜污染的定义膜污染的定义: 指处理物料中的微粒，胶体粒子或溶质大分子，由于与膜存指处理物料中的微

5、粒，胶体粒子或溶质大分子，由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化。可逆变化。2.浓差极化浓差极化 超滤时，由于筛分作用，料液中的部分大分子溶质会被膜截超滤时，由于筛分作用，料液中的部分大分子溶质会被膜截留，溶剂及小分子溶质则能自由地透过膜，从而表现出超滤膜的留，溶剂及小分子溶质则能自由地透过膜，从而表现出超滤膜的选择性。被截留的溶质在膜表面处积聚，其浓度会逐渐升高，在选择性。被截留的溶质在

6、膜表面处积聚，其浓度会逐渐升高，在浓度梯度的作用下，及近膜面的溶质又以相反方向向料液主体扩浓度梯度的作用下，及近膜面的溶质又以相反方向向料液主体扩散，平衡状态时膜表面形成一溶质浓度分布边界层，对溶剂等小散，平衡状态时膜表面形成一溶质浓度分布边界层，对溶剂等小分子物质的运动起阻碍作用。这种现象称为膜的浓差极化，是一分子物质的运动起阻碍作用。这种现象称为膜的浓差极化，是一个可逆过程。个可逆过程。3. 造成膜污染的主要原因造成膜污染的主要原因：a. 料液性质料液性质b. 膜及膜组件性质膜及膜组件性质c. 操作条件操作条件134.控制措施A. 膜的压差较低时，膜自身的机械阻力和膜污染阻力占主导地位，应

7、尽量减少膜污染阻力来提高膜的运行水平 膜材料：与溶质电荷相同的强亲水和强疏水膜材料：与溶质电荷相同的强亲水和强疏水性膜较耐污染；性膜较耐污染； 膜孔径：一般选孔径比被截留粒子尺寸小一膜孔径：一般选孔径比被截留粒子尺寸小一个数量级的膜；个数量级的膜； 溶液溶液pH值：一般把它调至远离等电点，可减值：一般把它调至远离等电点，可减少污染；少污染； 盐：自身沉积或改变蛋白质性质而产生膜污盐：自身沉积或改变蛋白质性质而产生膜污染；染； 温度：适宜的料液温度会减少膜的污染。温度：适宜的料液温度会减少膜的污染。144.控制措施B.膜的压差较高时，浓差极化产生的阻力占主导地位，此时应着重减少浓差极化阻力，其措

8、施主要是：增大料液流速；升高料液温度；选择合适的膜组件结构C.膜压差很高时，凝胶层阻力占主导地位，凝胶层是由浓差极化造成的，所以防止凝胶层的形成应尽量控制浓差极化。15七、超滤膜的清洗 在实际膜分离技术应用中，尽管选择了较合适的膜和适在实际膜分离技术应用中，尽管选择了较合适的膜和适宜的操作条件下，在长期运行中，过滤通量随运行时间宜的操作条件下，在长期运行中，过滤通量随运行时间的增加必然产生下降现象，即膜污染问题必然发生，此的增加必然产生下降现象，即膜污染问题必然发生，此时需要采取一定的清洗方法，使膜面或膜孔内污染物去时需要采取一定的清洗方法，使膜面或膜孔内污染物去除，从而达到过滤通量恢复，延长

9、膜寿命的目的。除，从而达到过滤通量恢复，延长膜寿命的目的。1.影响膜清洗的因素：影响膜清洗的因素：膜的化学特性和污染物特性膜的化学特性和污染物特性2.膜的清洗方法膜的清洗方法物理方法：水力方法和气液脉冲法物理方法：水力方法和气液脉冲法化学方法：物理清洗化学方法：物理清洗清洗剂扩散到污垢表层清洗剂扩散到污垢表层渗渗透扩散进污垢层透扩散进污垢层清洗反应清洗反应清洗反应产物转移至清洗反应产物转移至清洗剂体系清洗剂体系16七、超滤膜的清洗3.常见的化学清洗剂 酸碱液 表面活性剂 氧化剂 酶4.清洗效果评价 通常用纯水透水率恢复系数r来表示清洗效果： r=J/J0 *100% J为清洗后膜的通量，J0为

10、膜清洗前的初始通量17七、超滤的应用1. 工业废水处理2. 食品工业中的应用3. 高纯水制备中的应用4. 生物制药领域的应用18膜技术应用微 滤19一、微滤的定义 微滤是在压差微滤是在压差推动力作用下进行的推动力作用下进行的筛孔分离过程，膜孔筛孔分离过程，膜孔范围在范围在0.05um-20um.20二、微滤的发展进程1.19世纪中叶开始出现微滤膜技术；世纪中叶开始出现微滤膜技术；2.20世纪初开始对该技术进行系统研究；世纪初开始对该技术进行系统研究；3.20世纪世纪60年代开始进入飞跃发展阶段；年代开始进入飞跃发展阶段；4.我国对该项技术的研究始于我国对该项技术的研究始于20世纪五、世纪五、六

11、十年代，六十年代，80年代初期开始起步并得到年代初期开始起步并得到快速发展。快速发展。21三、微滤的应用领域 微滤主要从气相和液相物质中截微滤主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污染物、微粒、细菌、酵母、红血球、污染物等以达到分离、净化和浓缩的目的。物等以达到分离、净化和浓缩的目的。22四、微滤的分离机理微滤的分离机理是筛分机理，膜的物理微滤的分离机理是筛分机理，膜的物理结构起决定性作用。此外，吸附和电性结构起决定性作用。此外，吸附和电性能对截留也有影响。能对截留也有影响。微滤膜的截留分表面层截留和内部截留微

12、滤膜的截留分表面层截留和内部截留两种：两种：1.表面层截留：机械截留作用、物理作用或吸附表面层截留：机械截留作用、物理作用或吸附截留作用、架桥作用截留作用、架桥作用2.膜内部截留：膜的网络内部截留作用，是指将膜内部截留：膜的网络内部截留作用，是指将微粒截留在内部而不是在膜的表面微粒截留在内部而不是在膜的表面23五、微滤的操作模式1. 无流动操作（静态过滤或死端过滤）2. 错流操作（动态过滤）24252627六、微滤膜的特性1. 微滤膜的分类： 按形态结构可分两类对称膜和非对称膜 按材料可分两类有机膜和无机膜2. 微滤膜的结构： 具有毛细管状孔结构的筛网型微孔滤膜 具有曲孔的深度型微孔滤膜283

13、.微滤膜的特点 微滤主要以筛分机理截留粒子而分离，所有比膜孔径大的粒子全部截留，其他深层过滤介质达不到绝对截留的要求 孔径分部均匀，过滤精度高，可靠性强 孔隙率高，过滤速度快 微滤膜整体性强，不脱落，不对物料产生二次污染，且膜层薄，对物料吸附少，减少损失 与其它深层过滤方法结合使用，可延长微滤膜使用寿命。294.微滤膜材料 对于微滤膜，选择膜材料时材料的加工要求、耐污染能力和其化学及热稳定性等是主要的考虑因素 用于微滤膜制备的材料包括有机高分子材料和无机材料（见表）305.微滤膜的制备技术微滤膜的制备包括烧结法、拉伸法、相转化法、径迹蚀刻法和溶胶凝胶法等31七、微滤膜的污染及控制1. 微滤膜的

14、污染与 过滤阻力主要是来自于被截留的溶质或颗粒在膜的表面形成的浓差极化和滤饼层的阻力及颗粒在膜微孔中的吸附和堵塞。2. 减少膜污染的措施322.减少膜污染的措施1.1.料液的预处理：絮凝沉淀、多介质机械过滤、热处料液的预处理：絮凝沉淀、多介质机械过滤、热处理、调理、调pHpH值、加配位剂（值、加配位剂（EDTAEDTA等）、氯化、活性炭等）、氯化、活性炭吸附、化学处理、精密过滤等。吸附、化学处理、精密过滤等。2.2.膜的运行方式：死端过滤膜通量减小快，一般应选膜的运行方式：死端过滤膜通量减小快，一般应选用错流过滤的运行方式。用错流过滤的运行方式。3.3.膜组件和系统的设计：通过提高传质系数（如高流膜组件和系统的设计：通过提高传质系数（如高流速等）和使用较低通量的膜可以减少浓差极化，采速等）和使用较低通量的膜可以减少浓差极化，采用端流强化器也可以减少膜的污染。用端流强化器也可以减少膜的污染。4.4.电场作用：通过电场作用促进膜表面聚集的带电微电场作用：通过电场作用促进膜表面聚集的带电微粒向料流主体迁移，从而增加其传质系数，也可减粒向料流主体迁移，从而增加其传质系数，也可减少膜的污染。