膜技术及其应用-第三章超滤

1、第三章第三章 超滤超滤 概述概述 超滤的基本理论超滤的基本理论 超滤膜的特性及制备方法超滤膜的特性及制备方法 超滤装置超滤装置 超滤膜的污染与清洗超滤膜的污染与清洗 超滤的应用超滤的应用本章主要内容本章主要内容第一节概述第一节概述u超滤（超滤（Ultrafiltration，简称，简称UF)，又称超过滤，又称超过滤u1861年，年，Schmidt公布用牛心包膜截留可溶性公布用牛心包膜截留可溶性阿拉伯胶阿拉伯胶u1907年，年，Bechhold较为系统研究了超滤膜，首较为系统研究了超滤膜，首次采用次采用“超滤超滤”术语术语u1963年，年，Michaels开发了不同孔径的开发了不同孔径的CA超滤

2、膜超滤膜u1965-1975年，年，UF大发展，从大发展，从CA扩大到扩大到PS、PC、PAN、PES等等等等u我国的超滤技术，我国的超滤技术，70年代中期起步，年代中期起步，80年代大年代大发展，发展，90年获得广泛应用，年获得广泛应用，10多个品种多个品种第二节第二节 超滤的基本理论超滤的基本理论 超滤是一种超滤是一种筛分筛分过程，通过膜表面的微孔结构对物过程，通过膜表面的微孔结构对物质进行选择性分离；质进行选择性分离； 过滤粒径约过滤粒径约1100 nm，分子量大于，分子量大于500的大分的大分子和胶体，如多糖、蛋白质、酶子和胶体，如多糖、蛋白质、酶 压力驱动型膜分离技术，压力驱动型膜分

3、离技术，0.1-0.5 MPa的静压差的静压差 商品化的超滤膜多为不对称膜商品化的超滤膜多为不对称膜1.超滤膜的工作原理超滤膜的工作原理 当液体混合物在一定压力下流经膜表面时，小分子溶当液体混合物在一定压力下流经膜表面时，小分子溶质透过膜（称为超滤液），而大分子物质则被截留，质透过膜（称为超滤液），而大分子物质则被截留，使原液中大分子浓度逐渐提高（称为浓缩液），从而使原液中大分子浓度逐渐提高（称为浓缩液），从而实现大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。实现大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。超滤截留大分子物质的机理是：超滤截留大分子物质的机理是： 膜表面的孔径机械筛分作用；膜表面的孔径机械筛分作

4、用； 在膜孔中停留而被除去（阻塞）；在膜孔中停留而被除去（阻塞）； 膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。2.超滤与反渗透的异同超滤与反渗透的异同共同点：共同点： 推动力均是压力差，在溶液的压力下，溶剂推动力均是压力差，在溶液的压力下，溶剂等小分子通过薄膜，而较大的溶解物质被阻等小分子通过薄膜，而较大的溶解物质被阻滞在膜表面上。滞在膜表面上。区别：区别： 膜不同膜不同 机理不同机理不同 工作压力不同工作压力不同 膜不同膜不同 超滤膜较疏松，透水量大，除盐率低；一般用超超滤膜较疏松，透水量大，除盐率低；一般用超滤分离大分子和胶体，能够分离的溶质分子至少滤分离大分子和胶体，能

5、够分离的溶质分子至少要比溶剂的分子大要比溶剂的分子大1010倍倍 反渗透膜致密，透水量低，除盐率高，具有选择反渗透膜致密，透水量低，除盐率高，具有选择透过能力，用以分离分子大小大致相同的溶剂和透过能力，用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质溶质简单的透过和截留示意图简单的透过和截留示意图123412341234膜膜ROUFMF各种渗透膜对不同物质的截留功能示意图各种渗透膜对不同物质的截留功能示意图1. 溶剂；溶剂； 2. 小分子；小分子； 3.大分子；大分子； 4.微粒微粒膜分离法与物质大小膜分离法与物质大小(直径直径)的关系的关系 机理不同机理不同 超滤的去除机理主要是筛滤作用；超滤的去除机理

6、主要是筛滤作用； 在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。质和溶剂之间复杂的物理化学作用。 工作压力不同工作压力不同 超过滤的工作压力低超过滤的工作压力低(0.1(0.10.5 MPa)0.5 MPa)； 反渗透反渗透所需的工作压力高所需的工作压力高(1(1100 MPa)100 MPa)。3. 超滤的基本传质理论超滤的基本传质理论 浓差极化浓差极化 膜的透过通量膜的透过通量单位时间内、单位面积膜上透过的溶单位时间内、单位面积膜上透过的溶液量，液量，JV = V/At 溶质的截留率溶质的截留率可由原溶液和透过液浓度求出可由

7、原溶液和透过液浓度求出 Ra = 1-cp/cb (cb原液浓度，原液浓度，cp透过液浓度；透过液浓度；mg/L) 超滤膜选择性透过溶剂和小分子溶质，截留的大分子在超滤膜选择性透过溶剂和小分子溶质，截留的大分子在膜表面积累，浓度上升并以相反方向向料液扩散，达到膜表面积累，浓度上升并以相反方向向料液扩散，达到平衡状态时在膜表面形成一定的溶质层（凝胶层），阻平衡状态时在膜表面形成一定的溶质层（凝胶层），阻碍溶剂等小分子的跨膜行为，此现象成为碍溶剂等小分子的跨膜行为，此现象成为浓差极化浓差极化。 减轻浓差极化的方法减轻浓差极化的方法 一类是在膜过程中，采取一定的操作策略，如搅拌、引一类是在膜过程中，

8、采取一定的操作策略，如搅拌、引入脉动流、鼓泡、超声或使膜振动等入脉动流、鼓泡、超声或使膜振动等 另一类则是优化和改进膜组件及膜系统结构设计，如膜另一类则是优化和改进膜组件及膜系统结构设计，如膜面处剪切流速的提高面处剪切流速的提高,设置湍流促进器等等设置湍流促进器等等 传质系数传质系数 速率方程速率方程（膜透过速率）（膜透过速率） 微孔模型（微孔模型（伯谡叶方程可计算溶质截留率、扩散系数伯谡叶方程可计算溶质截留率、扩散系数） 渗透压模型（渗透压模型（超滤浓缩时考虑超滤浓缩时考虑） 凝胶极化模型凝胶极化模型第三节第三节 超滤膜的特性及制备方法超滤膜的特性及制备方法 超滤膜材料超滤膜材料一般用于制备

9、反渗透膜的材料也可用于制备超一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。超滤膜有多种，最常用的是：超滤膜有多种，最常用的是：醋酸纤维素膜、醋酸纤维素膜、芳香聚酰胺膜、聚砜膜和聚砜酰胺膜和无机膜芳香聚酰胺膜、聚砜膜和聚砜酰胺膜和无机膜。1. 对称膜和非对称膜对称膜和非对称膜1. 对称膜和非对称膜对称膜和非对称膜对称膜和非对称膜对称膜和非对称膜单内皮层单内皮层双皮层双皮层超薄活化层超薄活化层多孔支撑层多孔支撑层内皮层中空纤维超滤膜的优点内皮层中空纤维超滤膜的优点b膜的装填密度大，膜的装填密度大， 组件结构紧凑。组件结构

10、紧凑。b由于料液流经中空纤维内孔，所以料液分配均匀，流速较由于料液流经中空纤维内孔，所以料液分配均匀，流速较高，有利于克服浓差极化高，有利于克服浓差极化; ;b可很容易地把膜组件装入或卸出膜设备。可很容易地把膜组件装入或卸出膜设备。b由于内、外表面上的孔径差别较大，且无中间海绵层由于内、外表面上的孔径差别较大，且无中间海绵层 ( (双双皮层膜有皮层膜有) ) 所以透过内表皮层的分子，不会被外皮层截留，所以透过内表皮层的分子，不会被外皮层截留，产生堵塞与吸留的可能性小。产生堵塞与吸留的可能性小。b由于凝胶层形成仅发生在内表面，所以可用反冲洗来有效由于凝胶层形成仅发生在内表面，所以可用反冲洗来有效

11、地清除。地清除。2. 超滤膜的制备超滤膜的制备 高分子膜的制备高分子膜的制备 多为非对称膜，相转移方法多为非对称膜，相转移方法 无机膜的制备无机膜的制备 分三层，分离膜层、过渡层和载体层，形成分三层，分离膜层、过渡层和载体层，形成不对称结构，溶胶不对称结构，溶胶-凝胶方法等凝胶方法等第四节超滤装置第四节超滤装置1. 1. 超滤膜组件：有板式、管式、卷式和中空纤超滤膜组件：有板式、管式、卷式和中空纤维式四种。维式四种。2. 超滤基本工艺流程超滤基本工艺流程超滤的操作模式可分为超滤的操作模式可分为重过滤重过滤和和错流过滤错流过滤两大类两大类重过滤重过滤常用于蛋白质、酶等大分子的分离。常用于蛋白质、

12、酶等大分子的分离。错流过滤错流过滤广泛应用于生产广泛应用于生产 间歇操作间歇操作：常用于小规模生产。从保证膜透过通量来：常用于小规模生产。从保证膜透过通量来看，这种方式效率最高，因为膜始终可保证在最佳浓看，这种方式效率最高，因为膜始终可保证在最佳浓度范围内进行操作。在低浓度时，可得到很高的膜透度范围内进行操作。在低浓度时，可得到很高的膜透过通量。过通量。 连续操作连续操作：常用于大规模生产。由于需要分离物料的：常用于大规模生产。由于需要分离物料的生产量常比控制浓差极化所需的最小流量还小，因此生产量常比控制浓差极化所需的最小流量还小，因此运行时采用部分循环方式，而且循环量常比料液量大运行时采用部

13、分循环方式，而且循环量常比料液量大得多。得多。重过滤重过滤错流过滤错流过滤间歇错流间歇错流截留液全循环截留液全循环截留液部分循环截留液部分循环连续错流连续错流单段连续操作单段连续操作多段连续操作多段连续操作错流过滤错流过滤第五节超滤膜的污染与清洗第五节超滤膜的污染与清洗一、超滤膜的污染一、超滤膜的污染 是被分离物质中某些成分吸附、留存在膜的表面和是被分离物质中某些成分吸附、留存在膜的表面和膜孔中造成的膜孔中造成的 溶质在膜表面的吸附层；溶质在膜表面的吸附层； 浓差极化引起的凝胶层；浓差极化引起的凝胶层； 膜孔内溶质吸附；膜孔内溶质吸附； 膜孔堵塞。膜孔堵塞。超滤膜的通量超滤膜的通量二、超滤膜污

14、染的防治二、超滤膜污染的防治1.改变膜结构和组件结构；改变膜结构和组件结构；2.采用亲水性超滤膜或荷负电膜；采用亲水性超滤膜或荷负电膜；3.对料液进行预处理；对料液进行预处理；4.选择合适操作条件。选择合适操作条件。三、超滤膜的清洗三、超滤膜的清洗1.水清洗水清洗2.反冲洗反冲洗3.气洗气洗4.酸碱洗酸碱洗5.表面活性剂表面活性剂6.氧化剂氧化剂7.酶清洗酶清洗第六节超滤应用第六节超滤应用 特特 点点 分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、分离、纯化分级的目的。分离

15、、纯化分级的目的。装置结构简单，占地面积小，附属设备少，易于装置结构简单，占地面积小，附属设备少，易于扩容和增加组件。扩容和增加组件。装置操作简单，启动快，易于维护，容易控制。装置操作简单，启动快，易于维护，容易控制。 工业废水的处理工业废水的处理 城市污水处理城市污水处理 饮用水的生产饮用水的生产 蛋白质的过滤、回收蛋白质的过滤、回收 果汁的澄清果汁的澄清 食用油精练食用油精练 医药产品的除菌医药产品的除菌 激素的提取激素的提取 酒类酿制酒类酿制 电泳涂漆废水中涂料的回收电泳涂漆废水中涂料的回收 电泳涂漆废水电泳涂漆废水 含油废水含油废水（如油田含油污水、金属加工用乳化（如油田含油污水、金属加工用乳化废液、含油清洗废水等）废液、含油清洗废水等） 摄影显影液废水摄影显影液废水 造纸工业废水造纸工业废水（如亚硫酸纸浆废液、漂白废水、（如亚硫酸纸浆废液、漂白废水、纸张上色废水等）纸张上色废水等） 纺织工业废水纺织工业废水（如羊毛清洗废水、染料废水、（如羊毛清洗废水、染料废水、退浆废水、涤纶纤维油剂废水等）退浆废水、涤纶纤维油剂废水等） 光学玻璃研磨排水光学玻璃研磨排水 放射性废水放射性废水 食品工业废水，食品工业废水，回收蛋白质、淀粉等。回收蛋白质、淀粉等。本章习题本章习题1.反渗透