超濾原理

⑴原理

超濾膜篩分過程，以膜兩側的壓力差為驅動力，以超濾膜為過濾介質，在一定的壓力下，當原液流過膜表面時，超濾膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質通過而成為透過液，而原液中體積大於膜表面微孔徑的物質則被截留在膜的進液側，成為濃縮液，因而實現對原液的凈化、分離和濃縮的目的。

⑵超濾膜與超濾裝置

①超濾膜的種類：

常用的超濾膜有：醋酸纖維素膜，聚碸膜，聚醯胺膜

②超濾裝置：主要有板框式、管式、卷式和中空纖維式等，與反滲透裝置類似。

Ⅰ板框式超濾裝置

優點：裝置牢固，適合在廣泛的壓力範圍內工作；流道間隙大小可調，原水流道不易被雜物堵塞；具有可拆性，清洗方便；通過增減膜及支撐板的數量可處理不同水量。

缺點：裝置較笨重；單位體積內的有效膜面積較小；膜的強度要求較高，一般做在無紡布上，以增強膜的機械性能。

Ⅱ管式超濾裝置

優點：原液流道截留面積較大，不易堵塞；膜面的清洗比較容易，可化學清洗或擦洗。

缺點：單位體積內膜的充填密度較低，佔地面積大；膜管的彎頭及連接件多，設備安裝費時。

Ⅲ卷式超濾裝置

優點：單位體積內的有效膜面積較大，水在膜表面流動狀態比較好，結構緊湊，佔地面積較小。缺點：進水預處理要求嚴格，對所用的膜強度要求較高，使用過程中，一旦發現膜破損須更換新的膜元件。

Ⅳ中空纖維式超濾裝置：

優點：單位體積內有效膜面積最大，工作效率最高，佔地面積小。中空纖維無須支撐物。

缺點：膜的清洗較困難，只能用水力沖洗或化學清洗，不能用機械清洗，另外，中空纖維膜損壞后要更換整個組件。

③超濾工藝參數

主要參數有膜通量、膜清洗和膜壽命。

在操作壓力為0.11～0.6Mpa，溫度小於60℃時，超濾膜的膜通量以1～500L/m2h為宜。影響膜通量的因素有：進水流速、操作壓力、溫度、進水濃度和原水預處理等。

膜必須定期清洗，以延長膜的壽命，正常使用的膜的壽命為12～18個月。

④超濾在廢水處理中的應用

如今已應用在汽車製造行業噴漆廢水、金屬加工廢水以及食品工業廢水的處理及有用物質的回收。

超濾原理也是一種膜分離過程原理，超濾利用一種壓力活性膜，在外界推動力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對較高的物質，而水和小的溶質顆粒透過膜的分離過程。通過膜表面的微孔篩選可截留分子量為3x10000—1x10000的物質。當被處理水藉助於外界壓力的作用以一定的流速通過膜表面時，水分子和分子量小於300—500的溶質透過膜，而大於膜孔的微粒、大分子等由於篩分作用被截留，從而使水得到凈化。也就是說，當水通過超濾膜后，可將水中含有的大部分膠體硅除去，同時可去除大量的有機物等。

超濾原理並不複雜。在超濾過程中，由於被截留的雜質在膜表面上不斷積累，會產生濃差極化現象，當膜面溶質濃度達到某一極限時即生成凝膠層，使膜的透水量急劇下降，這使得超濾的應用受到一定程度的限制。為此，需通過試驗進行研究，以確定最佳的工藝和運行條件，最大限度地減輕濃差極化的影響，使超濾成為一種可靠的反滲透預處理方法。

a． 超濾與傳統的預處理工藝相比，系統簡單、操作方便、佔地小、投資省、且水質極優，可滿足各類反滲透裝置的進水要求。

b． 合理地選擇運行條件和清洗工藝，可完全控制超濾的濃差極化問題，使此預處理方法更可靠。

c．超濾對水中的各類膠體均具有良好的去除特性，因而可以考慮擴大到凝結水精處理及離子交換除鹽系統的預處理中。

在超濾過程中，水深液在壓力推動下，流經膜表面，小於膜孔的深劑（水）及小分子溶質透水膜，成為凈化液（濾清液），比膜孔大的溶質及溶質集團被截留，隨水流排出，成為深縮液。超濾過程為動態過濾，分離是在流動狀態下完成的。溶質僅在膜表面有限沉積，超濾速率衰減到一定程度而趨於平衡，且通過清洗可以恢復。

超濾是以壓力為推動力的膜分離技術之一。以大分子與小分子分離為目的，膜孔徑在20－1000A°之間。中空纖維超濾器（膜）具有單位溶器內充填密度高，佔地面積小等優點。

超濾技術的優缺點

與傳統分離方法相比，超濾技術具有以下特點：

1. 濾過程是在常溫下進行，條件溫和無成分破壞，因而特別適宜對熱敏感的物質，如藥物、酶、果汁等的分離、分級、濃縮與富集。

2. 濾過程不發生相變化，無需加熱，能耗低，無需添加化學試劑，無污染，是一種節能環保的分離技術。

3. 超濾技術分離效率高，對稀溶液中的微量成分的回收、低濃度溶液的濃縮均非常有效。

4. 超濾過程僅採用壓力作為膜分離的動力，因此分離裝置簡單、流程短、操作簡便、易於控制和維護。

5. 超濾法也有一定的局限性，它不能直接得到乾粉製劑。對於蛋白質溶液，一般只能得到10～50%的濃度。

超濾裝置是在一個密閉的容器中進行，以壓縮空氣為動力，推動容器內的活塞前進，使樣液形成內壓，容器底部設有堅固的膜板。小於膜板孔徑直徑的小分子，受壓力的作用被擠出膜板外，大分子被截留在膜板之上。超濾開始時，由於溶質分子均勻地分佈在溶液中，超濾的速度比較快。但是，隨著小分子的不斷排出，大分子被截留堆積在膜表面，濃度越來越高，自下而上形成濃度梯度，這日才超濾速度就會逐漸減慢，這種現象稱為濃度極化現象。為了克服濃度極化現象，增加流速，設計了幾種超濾裝置：

1. 無攪拌式超濾

這種裝置比較簡單，只是在密閉的容器中施加一定壓力，使小分子和溶劑分子擠壓出膜外，無攪拌裝置濃度極化較為嚴重，只適合於濃度較稀的小量超濾。

2. 攪拌式超濾

攪拌式超濾是將超濾裝置位於電磁攪拌器之上，超濾容器內放人一支磁棒。在超濾時向容器內施加壓力的同時開動磁力攪拌器，小分子溶質和溶劑分子被排出膜外，大分子向濾膜表面堆積時，被電磁攪拌器分散到溶液中。這種方法不容易產生濃度極化現象，提高了超濾的速度。

4. 中空纖維超濾

由於膜板式超濾裝置，截留面積有限，中空纖維超濾是在一支空心柱內裝有許多的，中空纖維毛細管，兩端相通，管的內徑一般在0．2mm左右，有效面積可以達到1平方厘米每一根纖維毛細管像一個微型透析袋，極大地增大了滲透的表面積，提高了超濾的速度。納米膜表超濾膜也是中空超濾膜的一種。

凈水器行業是超濾應用比較廣泛的一個行業。家用超濾凈水器，是如今市場上主流的凈水器產品。它的核心部件是超濾膜。

超濾膜一種孔徑規格一致，額定孔徑範圍為0.001-0.02微米的微孔過濾膜。採用超濾膜以壓力差為推動力 的膜過

濾方法為超濾膜過濾。超濾膜大多由醋酯纖維或與其性能類似的高分子材料製得。最適於處理溶液中溶質的分離和增濃，也常用於其他分離技術難以完成的膠狀懸浮液的分離，其應用領域在不斷擴大。以壓力差為推動力的膜過濾可區分為超濾膜過濾、微孔膜過濾和逆滲透膜過濾三類。它們的區分是根據膜層所能截留的最小粒子尺寸或分子量大小。以膜的額定孔徑範圍作為區分標準時，則微孔膜(MF)的額定孔徑範圍為0.02～10μm；超濾膜(UF)為0.001～0.02μm；逆滲透膜(RO)為0.0001～0.001μm。由此可知，超濾膜最適於處理溶液中溶質的分離和增濃，或採用其他分離技術所難以完成的膠狀懸浮液的分離。超濾膜的制膜技術，即獲得預期尺寸和窄分佈微孔的技術是極其重要的。孔的控制因素較多，如根據制膜時溶液的種類和濃度、蒸發及凝聚條件等不同可得到不同孔徑及孔徑分佈的超濾膜。超濾膜一般為高分子分離膜，用作超濾膜的高分子材料主要有纖維素衍生物、聚碸、聚丙烯腈、聚醯胺及聚碳酸酯等。超濾膜可被做成平面膜、卷式膜、管式膜或中空纖維膜等形式，廣泛用於如醫藥工業、食品工業、環境工程等。篩子是用來篩東西的，它能將細小物體放行，而將個頭較大的截留下來。可是，您聽說過能篩分子的篩子嗎？超膜 －－這種超級篩子能將尺寸不等的分子篩分開來！那麼，到底什麼是超濾膜呢？超濾膜是一種具有超級“篩分”分離功能的多孔膜。它的孔徑只有幾納米到幾十納米，也就是說只有一根頭髮絲的1‰！在膜的一側施以適當壓力，就能篩出大於孔徑的溶質分子，以分離分子量大於500道爾頓、粒徑大於2～20納米的顆粒。超濾膜的結構有對稱和非對稱之分。前者是各向同性的，沒有皮層，所有方向上的孔隙都是一樣的，屬於深層過濾；後者具有較緻密的表層和以指狀結構為主的底層，表層厚度為0.1微米或更小，並具有排列有序的微孔，底層厚度為200～250微米，屬於表層過濾。工業使用的超濾膜一般為非對稱膜。超濾膜的膜材料主要有纖維素及其衍生物、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯。

超濾技術廣泛用於水處理設備工藝中：

<1>. 反滲透的預處理，原水包括海水、地表水、井水等。

<2>. 城市、鄉鎮、農村供水處理。

<3>. 冷凝水回用，食品、飲料加工用水。

<4>. 製藥用水除熱源。

<5>. 處理地表水和井水用於飲用。

<6>. 深度處理廢水進行回收利用。

<7>. 白酒的除濁，果酒、葡萄酒、黃酒的除菌、除濁。

<8>. 應用於食品、發酵、乳業中的濃縮處理。