膜技術及其應用-第三章超濾

1、第三章第三章 超濾超濾 概述概述 超濾的基本理論超濾的基本理論 超濾膜的特性及制備方法超濾膜的特性及制備方法 超濾裝置超濾裝置 超濾膜的污染與清洗超濾膜的污染與清洗 超濾的應用超濾的應用本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容第一節(jié)概述第一節(jié)概述u超濾（超濾（Ultrafiltration，簡稱，簡稱UF)，又稱超過濾，又稱超過濾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膠阿拉伯膠u1907年，年，Bechhold較為系統(tǒng)研究了超濾膜，首較為系統(tǒng)研究了超濾膜，首次采用次采用“超濾超濾”術語術語u1963年，年，Michaels開發(fā)了不同孔徑的開發(fā)了不同孔徑的CA超濾

2、膜超濾膜u1965-1975年，年，UF大發(fā)展，從大發(fā)展，從CA擴大到擴大到PS、PC、PAN、PES等等等等u我國的超濾技術，我國的超濾技術，70年代中期起步，年代中期起步，80年代大年代大發(fā)展，發(fā)展，90年獲得廣泛應用，年獲得廣泛應用，10多個品種多個品種第二節(jié)第二節(jié) 超濾的基本理論超濾的基本理論 超濾是一種超濾是一種篩分篩分過程，通過膜表面的微孔結構對物過程，通過膜表面的微孔結構對物質進行選擇性分離；質進行選擇性分離； 過濾粒徑約過濾粒徑約1100 nm，分子量大于，分子量大于500的大分的大分子和膠體，如多糖、蛋白質、酶子和膠體，如多糖、蛋白質、酶 壓力驅動型膜分離技術，壓力驅動型膜分

3、離技術，0.1-0.5 MPa的靜壓差的靜壓差 商品化的超濾膜多為不對稱膜商品化的超濾膜多為不對稱膜1.超濾膜的工作原理超濾膜的工作原理 當液體混合物在一定壓力下流經(jīng)膜表面時，小分子溶當液體混合物在一定壓力下流經(jīng)膜表面時，小分子溶質透過膜（稱為超濾液），而大分子物質則被截留，質透過膜（稱為超濾液），而大分子物質則被截留，使原液中大分子濃度逐漸提高（稱為濃縮液），從而使原液中大分子濃度逐漸提高（稱為濃縮液），從而實現(xiàn)大、小分子的分離、濃縮、凈化的目的。實現(xiàn)大、小分子的分離、濃縮、凈化的目的。超濾截留大分子物質的機理是：超濾截留大分子物質的機理是： 膜表面的孔徑機械篩分作用；膜表面的孔徑機械篩分作

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）； 膜表面及膜孔對雜質的吸附作用。膜表面及膜孔對雜質的吸附作用。2.超濾與反滲透的異同超濾與反滲透的異同共同點：共同點： 推動力均是壓力差，在溶液的壓力下，溶劑推動力均是壓力差，在溶液的壓力下，溶劑等小分子通過薄膜，而較大的溶解物質被阻等小分子通過薄膜，而較大的溶解物質被阻滯在膜表面上。滯在膜表面上。區(qū)別：區(qū)別： 膜不同膜不同 機理不同機理不同 工作壓力不同工作壓力不同 膜不同膜不同 超濾膜較疏松，透水量大，除鹽率低；一般用超超濾膜較疏松，透水量大，除鹽率低；一般用超濾分離大分子和膠體，能夠分離的溶質分子至少濾分離大分子和膠體，能

5、夠分離的溶質分子至少要比溶劑的分子大要比溶劑的分子大1010倍倍 反滲透膜致密，透水量低，除鹽率高，具有選擇反滲透膜致密，透水量低，除鹽率高，具有選擇透過能力，用以分離分子大小大致相同的溶劑和透過能力，用以分離分子大小大致相同的溶劑和溶質溶質簡單的透過和截留示意圖簡單的透過和截留示意圖123412341234膜膜ROUFMF各種滲透膜對不同物質的截留功能示意圖各種滲透膜對不同物質的截留功能示意圖1. 溶劑；溶劑； 2. 小分子；小分子； 3.大分子；大分子； 4.微粒微粒膜分離法與物質大小膜分離法與物質大小(直徑直徑)的關系的關系 機理不同機理不同 超濾的去除機理主要是篩濾作用；超濾的去除機理

6、主要是篩濾作用； 在反滲透膜上分離過程伴隨有半透膜、溶解物在反滲透膜上分離過程伴隨有半透膜、溶解物質和溶劑之間復雜的物理化學作用。質和溶劑之間復雜的物理化學作用。 工作壓力不同工作壓力不同 超過濾的工作壓力低超過濾的工作壓力低(0.1(0.10.5 MPa)0.5 MPa)； 反滲透反滲透所需的工作壓力高所需的工作壓力高(1(1100 MPa)100 MPa)。3. 超濾的基本傳質理論超濾的基本傳質理論 濃差極化濃差極化 膜的透過通量膜的透過通量單位時間內(nèi)、單位面積膜上透過的溶單位時間內(nèi)、單位面積膜上透過的溶液量，液量，JV = V/At 溶質的截留率溶質的截留率可由原溶液和透過液濃度求出可由

7、原溶液和透過液濃度求出 Ra = 1-cp/cb (cb原液濃度，原液濃度，cp透過液濃度；透過液濃度；mg/L) 超濾膜選擇性透過溶劑和小分子溶質，截留的大分子在超濾膜選擇性透過溶劑和小分子溶質，截留的大分子在膜表面積累，濃度上升并以相反方向向料液擴散，達到膜表面積累，濃度上升并以相反方向向料液擴散，達到平衡狀態(tài)時在膜表面形成一定的溶質層（凝膠層），阻平衡狀態(tài)時在膜表面形成一定的溶質層（凝膠層），阻礙溶劑等小分子的跨膜行為，此現(xiàn)象成為礙溶劑等小分子的跨膜行為，此現(xiàn)象成為濃差極化濃差極化。 減輕濃差極化的方法減輕濃差極化的方法 一類是在膜過程中，采取一定的操作策略，如攪拌、引一類是在膜過程中，

8、采取一定的操作策略，如攪拌、引入脈動流、鼓泡、超聲或使膜振動等入脈動流、鼓泡、超聲或使膜振動等 另一類則是優(yōu)化和改進膜組件及膜系統(tǒng)結構設計，如膜另一類則是優(yōu)化和改進膜組件及膜系統(tǒng)結構設計，如膜面處剪切流速的提高面處剪切流速的提高,設置湍流促進器等等設置湍流促進器等等 傳質系數(shù)傳質系數(shù) 速率方程速率方程（膜透過速率）（膜透過速率） 微孔模型（微孔模型（伯謖葉方程可計算溶質截留率、擴散系數(shù)伯謖葉方程可計算溶質截留率、擴散系數(shù)） 滲透壓模型（滲透壓模型（超濾濃縮時考慮超濾濃縮時考慮） 凝膠極化模型凝膠極化模型第三節(jié)第三節(jié) 超濾膜的特性及制備方法超濾膜的特性及制備方法 超濾膜材料超濾膜材料一般用于制備

9、反滲透膜的材料也可用于制備超一般用于制備反滲透膜的材料也可用于制備超濾膜，只是制膜液的組分配比和成膜工藝不同。濾膜，只是制膜液的組分配比和成膜工藝不同。超濾膜有多種，最常用的是：超濾膜有多種，最常用的是：醋酸纖維素膜、醋酸纖維素膜、芳香聚酰胺膜、聚砜膜和聚砜酰胺膜和無機膜芳香聚酰胺膜、聚砜膜和聚砜酰胺膜和無機膜。1. 對稱膜和非對稱膜對稱膜和非對稱膜1. 對稱膜和非對稱膜對稱膜和非對稱膜對稱膜和非對稱膜對稱膜和非對稱膜單內(nèi)皮層單內(nèi)皮層雙皮層雙皮層超薄活化層超薄活化層多孔支撐層多孔支撐層內(nèi)皮層中空纖維超濾膜的優(yōu)點內(nèi)皮層中空纖維超濾膜的優(yōu)點b膜的裝填密度大，膜的裝填密度大， 組件結構緊湊。組件結構

10、緊湊。b由于料液流經(jīng)中空纖維內(nèi)孔，所以料液分配均勻，流速較由于料液流經(jīng)中空纖維內(nèi)孔，所以料液分配均勻，流速較高，有利于克服濃差極化高，有利于克服濃差極化; ;b可很容易地把膜組件裝入或卸出膜設備。可很容易地把膜組件裝入或卸出膜設備。b由于內(nèi)、外表面上的孔徑差別較大，且無中間海綿層由于內(nèi)、外表面上的孔徑差別較大，且無中間海綿層 ( (雙雙皮層膜有皮層膜有) ) 所以透過內(nèi)表皮層的分子，不會被外皮層截留，所以透過內(nèi)表皮層的分子，不會被外皮層截留，產(chǎn)生堵塞與吸留的可能性小。產(chǎn)生堵塞與吸留的可能性小。b由于凝膠層形成僅發(fā)生在內(nèi)表面，所以可用反沖洗來有效由于凝膠層形成僅發(fā)生在內(nèi)表面，所以可用反沖洗來有效

11、地清除。地清除。2. 超濾膜的制備超濾膜的制備 高分子膜的制備高分子膜的制備 多為非對稱膜，相轉移方法多為非對稱膜，相轉移方法 無機膜的制備無機膜的制備 分三層，分離膜層、過渡層和載體層，形成分三層，分離膜層、過渡層和載體層，形成不對稱結構，溶膠不對稱結構，溶膠-凝膠方法等凝膠方法等第四節(jié)超濾裝置第四節(jié)超濾裝置1. 1. 超濾膜組件：有板式、管式、卷式和中空纖超濾膜組件：有板式、管式、卷式和中空纖維式四種。維式四種。2. 超濾基本工藝流程超濾基本工藝流程超濾的操作模式可分為超濾的操作模式可分為重過濾重過濾和和錯流過濾錯流過濾兩大類兩大類重過濾重過濾常用于蛋白質、酶等大分子的分離。常用于蛋白質、

12、酶等大分子的分離。錯流過濾錯流過濾廣泛應用于生產(chǎn)廣泛應用于生產(chǎn) 間歇操作間歇操作：常用于小規(guī)模生產(chǎn)。從保證膜透過通量來：常用于小規(guī)模生產(chǎn)。從保證膜透過通量來看，這種方式效率最高，因為膜始終可保證在最佳濃看，這種方式效率最高，因為膜始終可保證在最佳濃度范圍內(nèi)進行操作。在低濃度時，可得到很高的膜透度范圍內(nèi)進行操作。在低濃度時，可得到很高的膜透過通量。過通量。 連續(xù)操作連續(xù)操作：常用于大規(guī)模生產(chǎn)。由于需要分離物料的：常用于大規(guī)模生產(chǎn)。由于需要分離物料的生產(chǎn)量常比控制濃差極化所需的最小流量還小，因此生產(chǎn)量常比控制濃差極化所需的最小流量還小，因此運行時采用部分循環(huán)方式，而且循環(huán)量常比料液量大運行時采用部

13、分循環(huán)方式，而且循環(huán)量常比料液量大得多。得多。重過濾重過濾錯流過濾錯流過濾間歇錯流間歇錯流截留液全循環(huán)截留液全循環(huán)截留液部分循環(huán)截留液部分循環(huán)連續(xù)錯流連續(xù)錯流單段連續(xù)操作單段連續(xù)操作多段連續(xù)操作多段連續(xù)操作錯流過濾錯流過濾第五節(jié)超濾膜的污染與清洗第五節(jié)超濾膜的污染與清洗一、超濾膜的污染一、超濾膜的污染 是被分離物質中某些成分吸附、留存在膜的表面和是被分離物質中某些成分吸附、留存在膜的表面和膜孔中造成的膜孔中造成的 溶質在膜表面的吸附層；溶質在膜表面的吸附層； 濃差極化引起的凝膠層；濃差極化引起的凝膠層； 膜孔內(nèi)溶質吸附；膜孔內(nèi)溶質吸附； 膜孔堵塞。膜孔堵塞。超濾膜的通量超濾膜的通量二、超濾膜污

14、染的防治二、超濾膜污染的防治1.改變膜結構和組件結構；改變膜結構和組件結構；2.采用親水性超濾膜或荷負電膜；采用親水性超濾膜或荷負電膜；3.對料液進行預處理；對料液進行預處理；4.選擇合適操作條件。選擇合適操作條件。三、超濾膜的清洗三、超濾膜的清洗1.水清洗水清洗2.反沖洗反沖洗3.氣洗氣洗4.酸堿洗酸堿洗5.表面活性劑表面活性劑6.氧化劑氧化劑7.酶清洗酶清洗第六節(jié)超濾應用第六節(jié)超濾應用 特特 點點 分離過程在常溫和較低壓力的條件下進行，能分離過程在常溫和較低壓力的條件下進行，能耗低，不需加熱，不需加藥即可達到分離、濃縮、耗低，不需加熱，不需加藥即可達到分離、濃縮、分離、純化分級的目的。分離

15、、純化分級的目的。裝置結構簡單，占地面積小，附屬設備少，易于裝置結構簡單，占地面積小，附屬設備少，易于擴容和增加組件。擴容和增加組件。裝置操作簡單，啟動快，易于維護，容易控制。裝置操作簡單，啟動快，易于維護，容易控制。 工業(yè)廢水的處理工業(yè)廢水的處理 城市污水處理城市污水處理 飲用水的生產(chǎn)飲用水的生產(chǎn) 蛋白質的過濾、回收蛋白質的過濾、回收 果汁的澄清果汁的澄清 食用油精練食用油精練 醫(yī)藥產(chǎn)品的除菌醫(yī)藥產(chǎn)品的除菌 激素的提取激素的提取 酒類釀制酒類釀制 電泳涂漆廢水中涂料的回收電泳涂漆廢水中涂料的回收 電泳涂漆廢水電泳涂漆廢水 含油廢水含油廢水（如油田含油污水、金屬加工用乳化（如油田含油污水、金屬加工用乳化廢液、含油清洗廢水等）廢液、含油清洗廢水等） 攝影顯影液廢水攝影顯影液廢水 造紙工業(yè)廢水造紙工業(yè)廢水（如亞硫酸紙漿廢液、漂白廢水、（如亞硫酸紙漿廢液、漂白廢水、紙張上色廢水等）紙張上色廢水等） 紡織工業(yè)廢水紡織工業(yè)廢水（如羊毛清洗廢水、染料廢水、（如羊毛清洗廢水、染料廢水、退漿廢水、滌綸纖維油劑廢水等）退漿廢水、滌綸纖維油劑廢水等） 光學玻璃研磨排水光學玻璃研磨排水 放射性廢水放射性廢水 食品工業(yè)廢水，食品工業(yè)廢水，回收蛋白質、淀粉等。回收蛋白質、淀粉等。本章習題本章習題1.反滲透