超滤微滤技术的应用和原理

关于超滤微滤技术的应用和原理第1页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六2一、超滤的定义

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，膜孔范围在1nm-0.05um.第2页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六3二、超滤的发展进程1861年Schmidt首次公布了牛心胞薄膜截留可溶性阿拉伯胶的实验结果；1867年，Traube制成第一次人工膜；1907年开始使用“超滤”这一术语；20世纪70年代，超滤从实验规模进入工业化应用；我国从20世纪70年代开始研究，随后进入快速发展阶段。第3页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六4三、超滤的用途

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、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。第4页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六5四、超滤的基本原理超滤的分离机理是“筛分”分子级的物质，即它可截留溶液中溶解的大分子物质，而透过小分子物质。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。“筛分膜”和“深层膜”的比较——第5页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六6第6页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六7第7页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六8第8页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六9第9页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六10五、超滤膜的特性超滤膜按形态结构可分两类：对称膜和非对称膜超滤膜的分离特性：透过通量（速度）和截留率（分离效果）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）第10页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六114.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；第11页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六12六、超滤膜的污染及控制膜污染的定义:

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可逆变化。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。3.

造成膜污染的主要原因：料液性质膜及膜组件性质操作条件第12页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六134.控制措施膜的压差较低时，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性膜较耐污染；膜孔径：一般选孔径比被截留粒子尺寸小一个数量级的膜；溶液pH值：一般把它调至远离等电点，可减少污染；盐：自身沉积或改变蛋白质性质而产生膜污染；温度：适宜的料液温度会减少膜的污染。第13页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六144.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。第14页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六15七、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，延长膜寿命的目的。1.影响膜清洗的因素：膜的化学特性和污染物特性2.膜的清洗方法物理方法：水力方法和气液脉冲法化学方法：物理清洗——清洗剂扩散到污垢表层——渗透扩散进污垢层——清洗反应——清洗反应产物转移至清洗剂体系第15页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六16七、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为膜清洗前的初始通量第16页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六17七、超滤的应用工业废水处理食品工业中的应用高纯水制备中的应用生物制药领域的应用第17页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六18膜技术应用——微滤第18页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六19一、微滤的定义

微滤是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，膜孔范围在0.05um-20um.第19页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六20二、微滤的发展进程19世纪中叶开始出现微滤膜技术；20世纪初开始对该技术进行系统研究；20世纪60年代开始进入飞跃发展阶段；我国对该项技术的研究始于20世纪五、六十年代，80年代初期开始起步并得到快速发展。第20页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六21三、微滤的应用领域

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。第21页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六22四、微滤的分离机理微滤的分离机理是筛分机理，膜的物理结构起决定性作用。此外，吸附和电性能对截留也有影响。微滤膜的截留分表面层截留和内部截留两种：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第22页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六23五、微滤的操作模式无流动操作（静态过滤或死端过滤）错流操作（动态过滤）第23页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六24第24页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六25第25页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六26第26页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六27六、微滤膜的特性微滤膜的分类：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第27页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六283.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。第28页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六294.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）第29页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六305.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第30页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六31七、微滤膜的污染及控制微滤膜的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。减少膜污染的措施——第31页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六322.减少膜污染的措施——料液的预处理：絮凝沉淀、多介质机械过滤、热处理、调pH值、加配位剂（EDTA等）、氯化、活性炭吸附、化学处理、精密过滤等。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。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，采用端流强化器也可以减少膜的污染。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，也可减少膜的污染。第32页，共35页，2022年，5月20日，9点38分，星期六33八、微滤膜的清洗物理清洗包括水力