超濾膜原理和方法

如何進行水處理？

衡美水處理為您介紹一種性能優良的水處理設備配件——超濾膜，並向您詳細介紹超濾膜的工作原理和方法。

一、工作原理  

過濾是使液體通過多孔過濾介質以分離其中所含的固體顆粒的一種操作。過濾介質截阻顆粒而讓液體通過，隨著被分離的顆粒變小，要求介質的通道也要變小。如果顆粒小到亞微細粒的程度，膜孔大小就要趨近於能阻止溶液中大分子的通過。這種利用半透膜的微孔過濾以截留溶液中大溶質分子的操作稱為超濾，而這樣的半透膜稱為超濾膜。   

超濾的驅動力是壓力，通常高達1.0MPa。運用液壓迫使溶液透過膜並按溶質分子大小、形狀等差異，把大溶質分子阻留在膜的一側，成為濃縮液; 而小分子的溶質則隨溶劑透過膜到另一側，成為透過液流出。如果將所得濃縮液用水稀釋，再進行超濾，可使料液中的低分子溶質進一步隨透過液流出，而高分子物質逐步得到提純，這樣的過程稱為全濾 (如圖8-4)。   

超濾具有分離和提純的作用。

1、分離作用

          圖8-4 超濾原理示意圖   

1—進料 2—濃縮液 3—清液 4—超濾膜  

低分子質量的溶質隨溶媒一起透過濾膜，高分子質量的溶質被截留，因此，料液被分為帶有低分子溶質的透過液和帶有高分子溶質及殘留低分子溶質的濃縮液。

2、提純作用   

由於分離，提高了濃縮液中總固體裏高分子量溶質的百分率，因此，提純了高分子溶質。在透過液中，低分子溶質由於從高分子溶質中分離出來，也得到了提純。   

一、超濾膜

（一）超濾膜的膜滲機理  

料液在超濾膜內的流動問題比較複雜，簡單的床層流動理論不能充分解釋膜內的流動，它不是單純屬於一般毛細管內層流的機理。通常膜滲機理有下述兩種模型：

1、毛細流動模型   

在這種模型中，溶質的脫除主要靠流過微孔結構的過濾或篩濾作用，半透膜阻止了大分子的通過，按這一模型建立的流動是毛細孔中的層流流動。

2、溶解擴散模型   

在這種模型中，假定擴散質的分子，先溶解於膜的結構材料中，而後再經載體的擴散而傳遞。因為分子種類不同，溶解度和擴散度也就不同。   

實際上，兩種模型在膜滲傳遞中都可能存在，但反滲透以溶解擴散機理占優勢，而超濾則以毛細流動機理占優勢。為此，又出現綜合兩種機理的所謂“優先吸著毛細流動” 的機理。

（二）超濾膜的結構和材料

目前，超濾膜已發展到第三代。第一代為醋酸纖維素膜(CA膜)，耐pH範圍3～8，耐溫0～50℃，易受微生物和酶的作用，在強酸和弱堿條件下水解，並且在正常使用時會因蠕變使透水速率降低。盡管有這些缺點，它在食品工業上目前仍得到廣泛應用。第二代為聚合物膜，製造超濾膜有代表性的聚合物包括多種熱塑性塑料，如聚甲基丙烯酸甲基、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍等。用於高溫的熱塑性塑料如芳族聚酰胺、芳族聚醚等。由這些聚合物製成的半透膜的特性是，具有高壓力下抵抗破壞、高溫下抵抗變性、在酸堿和氧化環境下抵抗腐蝕等特性。第三代是鋯-氧化鋁膜，耐溫達400℃，濾膜厚0.1μm，為多孔凝膠附著在100～1000μm厚的多孔托板上。   

普通使用的醋酸纖維半透膜，具有不對稱和超微孔的結構，它有一層由致密聚合物做成的超薄(亞微)表層，此層支持在下麵的支撐層之上，支撐層由較厚的微孔聚合物製成。表層和支撐層由一次澆鑄工藝製成。

（三）超濾膜的構型   

超濾膜在工業應用上有平板狀、管狀、螺旋板狀和空心纖維狀等幾種不同的形式。目前國內應用的大多數為板狀和管狀，空心纖維膜(中空纖維膜) 也已開始試製並應用於生產。  

1、平板膜   

這種膜主要用於結構與板框壓濾機相似的設備上。半透膜張緊在一組多孔板上，用一塊帶槽的板來支持。支撐板的材料為聚碸 (polysulfone)，呈橢圓形，長徑長度為35cm，由雙層空心夾板組成。兩個表麵設計為弧形淺溝，即由多根凸起的弧形圈組成多條料液通道，適於處理粘性物料，不易形成膜麵上的濃料沉積，能加快透過速度，改善流動狀況。超濾膜緊貼於支撐板的兩麵。兩端開圓孔，料液由一端進入，流過膜麵，從另一端流出。清液透過膜層及支撐板溝槽上的長條孔隙，進入夾板空心，從支撐板邊上的一個小管流出。   

超濾膜緊貼於支撐板上，在兩端圓孔處有鎖圈將其固定，如圖8-5所示。當兩塊支撐板疊合時，有一麵的鎖圈為流通圈，可將料液疏導至支撐板膜麵。多塊膜板重合，料液並流通過一定數量的並流膜板後，在流通孔上設一擋圈，使料液進入另一組並流膜板，兩組連接，形成串聯，兩組流動方向相反。如此，多組膜板疊合，組成多次並流與串流，清液從每個膜麵透過流出，超濾液不斷地得到濃縮 (如圖8-6所示)。

圖8-5 超濾膜及支撐板組合圖   

1—流通圈 2—超濾膜 3—支撐板 4—超濾膜 5—鎖圈

圖8-6 超濾膜組合圖  

1—超濾膜 2—支撐板 3—隔板 4—流通圈 5—鎖圈   

A—料液進口 B—清液出口 C—濃縮液出口

2、管狀膜  

這種膜是牢固地緊貼在支撐管內側，做成的一個元件，是廣泛應用的一種膜型。完整的組件是將此管狀膜裝入外殼內構成，很像簡單的管式換熱器。

3、空心纖維膜  

這種膜是在平板膜基礎上開發出的具有空間立體幾何形狀的薄膜，使單位體積的膜滲設備不依靠極薄的半透膜而有很大的膜滲能力。在各種幾何形狀中，最有吸引力的是小直徑的空心圓柱，而圓柱壁由半透膜製成。因此，圓柱麵積與體積之比值反比於直徑，而且對於給定的內外徑比值，壁厚正比於直徑，故單位體積空心圓柱膜的透過量與直徑的平方成反比。這樣，采用空心圓柱構形，就大大地提高了單位體積膜滲設備的生產能力。可以證明，在超濾應用上，采用一個大小合理的小直徑空心纖維膜的圓柱束，則所發生的透過液量將相當於幾十平方米超薄平板膜上所得者。  

空心纖維為細長的膜管，內壁為膜層，膜層結合於海綿式的外壁上，外壁有粗孔，內層起超濾分離作用。內膜孔的大小，決定管內被阻物質的大小。空心纖維內徑約200μm，由惰性的非離子聚合物製成，具有獨特的各向異性的(表皮)結構，有明顯高的流率(如圖8-7)。

圖8-7 空心纖維超濾膜筒

三、超濾裝置  

（一）板式分離裝置

用於大規模生產的平板式超濾分離設備有類似板框式的結構 (如圖8-8)。   

在這種設備中，被處理的液體在窄溝道中流動，溝道寬度僅0.3～0.5mm，液體沿膜做徑向流動。在同一膜上，與膜接觸的路程隻有150mm左右。通常液體流動的平均流速約為0.5m/s，故流動為層流。一般平板膜滲設備由許多膜滲組件構成，每一組件提供一定的膜麵積，從幾平方米到幾十平方米。

（二）空心纖維膜滲分離器

圖8-8 平板膜分離裝置結構原理   

1—隔離板 2—半透膜 3—膜支撐板 4—中央螺栓  

空心纖維膜滲分離裝置的外形亦為殼管狀(如圖8-9)。

              圖8-9 中空纖維膜組件剖麵圖   

1—鹽水 2—進料 3—取樣 4—中空纖維膜 5—環氧樹脂管板 6—多孔支撐板 7—產品 8—外殼 9—環氧樹脂塊  

這種膜滲分離器把幾千萬根空心纖維集束的開口端用環氧樹脂粘接，裝填在管狀殼體內而成。

其特點是：

（1）裝置內單位體積的膜麵積很大；

（2）膜壁薄，液體透過速度快；

（3）因空心纖維的幾何構形具有一定的耐壓性能，故強度高。   

四、超濾在乳品工業上的應用  

國外已將超濾用於脫脂乳的濃縮，可製取含蛋白質高達50%～80%的脫脂濃乳。超濾已被證實為在乳清中濃縮和回收蛋白質的有效方法 (如圖8-10)。  

圖8-10 乳清的超濾

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