超濾

在超濾過程中，水溶液在壓力推動下，流經膜表面，小於膜孔的溶劑（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，成為濃縮液。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。

超濾起源於是1748年，Schmidt用棉花膠膜或璐膜分濾溶液，當施加一定壓力時，溶液（水）透過膜，而蛋白質、膠體等物質則被截留下來，其過濾精度遠遠超過濾紙，於是他提出超濾一語，1896年，Martin制出了第一張人工超濾膜，其20世紀60年代，分子量級概念的提出，是現代超濾的開始，70年代和80年代是高速發展期，90年代以後開始趨於成熟。我國對該項技術研究較晚，70年代尚處於研究期限，80年代末，才進入工業化生產和應用階段。

超濾裝置如同反滲透裝置，有板式、管式（內壓列管式和外壓管束式）、卷式、中

空纖維式等形式。濃差極化乃是膜分離過程的自然現象，如何將此現象減輕到最低程度，是超濾技術的重要課題之一。採取的措施有：①提高膜面水流速度，以減小邊界層厚度，並使被截留的溶質及時由水帶走；②採取物理或化學的洗滌措施。

超濾是採用中空纖維過濾新技術，配合三級預處理過濾清除自來水中雜質；超濾微孔小於0.01微米，能徹底濾除水中的細菌、鐵鏽、膠體等有害物質，保留水中原有的微量元素和礦物質。

超濾是一種加壓膜分離技術，即在一定的壓力下，使小分子溶質和溶劑穿過一定孔徑的特製的薄膜，而使大分子溶質不能透過，留在膜的一邊，從而使大分子物質得到了部分的純化。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。

超濾是一種膜分離技術，(UItrafil-tration 簡稱UF)。能夠將溶液凈化，分離或者濃縮。超濾是介於微濾與納濾之間，且三者之間無明顯的分界線。一般來說，超濾膜的孔徑在0.05 um–1 nm之間，操作壓力為0.1–0.5 Mpa。主要用於截留去除水中的懸浮物、膠體、微粒、細菌和病毒等大分子物質。超濾膜根據膜材料，可分為有機膜和無機膜。按膜的外型，又可分為：平板式、管式、毛細管式、中空纖維和多孔式。目前家用超濾凈水器，多以中空膜為主。

超濾膜的工作以篩分機理為主，以工作壓力和膜的孔徑大小來進行水的凈化處理。以中空纖維為例，以進水方式可分為外壓式：原水從膜絲外進入，凈水從膜絲內製取。反之則為內壓式。內壓式的工作壓力較外壓式要低。超濾膜在飲用水深度處理，工業用超純水和溶液濃縮分離等許多領域中，得到了廣泛應用。

超濾膜元件採用世界著名膜公司產品，確保了客戶得到目前世界上最優質的有機膜元件，從而確保截留性能和膜通量，超濾設備控制系統可根據用戶具體使用要求進行個性化設計，結合先進的控制軟體，現場在線集中監控重要工藝操作參數，避免人工誤操作，多方位確保系統長期穩定運行。

由於每根超濾組件在出廠前加入保護液，使用前要徹底沖洗組件中的保護液，先用低壓(0.1MPa)給水沖洗1小時，然後再用高壓(0.2MPa)給水沖洗1小時，無論低壓還是高壓沖洗時，系統的產水排放閥均應全部打開。在使用產水時，應檢查並確認產品水中不含有任何殺菌劑。

超濾設備系統回收率高，所得產品品質優良，可實現物料的高效分離、純化及高倍數濃縮。系統製作材質採用衛生級管閥，現場清潔衛生，滿足GMP或FDA生產規範要求。系統工藝設計先進，集成化程度高，結構緊湊，佔地面積少，操作與維護簡便，工人勞動強度低。

處理過程無相變，對物料中組成成分無任何不良影響，且分離、純化、濃縮過程中始終處於常溫狀態，特別適用於熱敏性物質的處理，完全避免了高溫對生物活性物質破壞這一弊端，有效保留原物料體系中的生物活性物質及營養成分。

徠超濾組件要輕拿輕放，並注意保護，由於超濾組件是精密器材，所以在使用安裝時要小心，要輕拿輕放，更不能甩壞。組件若停用，要先用清水沖洗乾淨后，加0.5%甲醛水溶液進行消毒滅菌，並密封好。如冬天組件還要進行防凍處理，否則組件可能報廢。

超濾設備系統能耗低，生產周期短，與傳統工藝設備相比，設備運行費用低，能有效降低生產成本，提高企業經濟效益。

超濾技術的優點是操作簡便，成本低廉，不需增加任何化學試劑，尤其是超濾技術的實驗條件溫和，與蒸發、冷凍乾燥相比沒有相的變化，而且不引起溫度、pH的變化，因而可以防止生物大分子的變性、失活和自溶。在生物大分子的製備技術中，超濾主要用於生物大分子的脫鹽、脫水和濃縮等。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。

過濾膜根據所加的操作壓力和所用膜的平均孔徑的不同，可分為微孔過濾、超濾和反滲透三種。微孔過濾所用的操作壓通常小於2×10^5 Pa，膜的平均孔徑為500埃～14微米，用於分離較大的微粒、細菌和污染物等。超濾所用操作壓為1×10^5 Pa～6×10^5 Pa，膜的平均孔徑為10-100埃，用於分離大分子溶質。反滲透所用的操作壓比超濾更大，常達到20×10^5 Pa～70×10^5 Pa，膜的平均孔徑最小，一般為10埃以下，用於分離小分子溶質，如海水脫鹽，制高純水等。

超濾膜的最小截留分子量為500道爾頓，在生物製藥中可用來分離蛋白質、酶、核酸、多糖、多肽、抗生素、病毒等。超濾的優點是沒有相轉移，無需添加任何強烈化學物質，可以在低溫下操作，過濾速率較快，便於做無菌處理等。所有這些都能使分離操作簡化，避免了生物活性物質的活力損失和變性。

由於超濾技術有以上諸多優點，故常被用作：

(1)大分子物質的脫鹽和濃縮，以及大分子物質溶劑系統的交換平衡。

(2)大分子物質的分級分離。

(3)生化製劑或其他製劑的去熱原處理。

超濾技術已成為製藥工業、食品工業、電子工業以及環境保護諸領域中不可缺少的有力工具。

超濾技術的關鍵是膜。膜有各種不同的類型和規格，可根據工作的需要來選用。早期的膜是各向同性的均勻膜，即常用的微孔薄膜，其孔徑通常是0.05mm 和0.025mm。近幾年來生產了一些各向異性的不對稱超濾膜，其中一種各向異性擴散膜是由一層非常薄的、具有一定孔徑的多孔"皮膚層"（厚約0.1mm～1.0mm），和一層相對厚得多的（約1mm）更易通滲的、作為支撐用的"海綿層"組成。皮膚層決定了膜的選擇性，而海綿層增加了機械強度。由於皮膚層非常薄，因此高效、通透性好、流量大，且不易被溶質阻塞而導致流速下降。常用的膜一般是由乙酸纖維或硝酸纖維或此二者的混合物製成。近來為適應製藥和食品工業上滅菌的需要，發展了非纖維型的各向膜，例如聚碸膜、聚碸醯胺膜和聚丙烯腈膜等。這種膜在pH 1～14都是穩定的，且能在90℃下正常工作。超濾膜通常是比較穩定的，若使用恰當，能連續用1～2年。暫時不用，可浸在1%甲醛溶液或0.2%NaN3中保存。超濾膜的基本性能指標主要有：水通量[cm3/(cm2?h)]；截留率（以百分率％表示）；化學物理穩定性（包括機械強度）等。

超濾裝置一般由若干超濾組件構成。通常可分為板框式、管式、螺旋卷式和中空纖維式四種主要類型。由於超濾法處理的液體多數是含有水溶性生物大分子、有機膠體、多糖及微生物等。這些物質極易粘附和沉積於膜表面上，造成嚴重的濃差極化和堵塞，這是超濾法最關鍵的問題，要克服濃差極化，通常可加大液體流量，加強湍流和加強攪拌。

在生物製品中應用超濾法有很高的經濟效益，例如供靜脈注射的25%人胎盤血白蛋白（即胎白）通常是用硫酸銨鹽析法、透析脫鹽、真空濃縮等工藝製備的，該工藝流程硫酸銨耗量大，能源消耗多，操作時間長，透析過程易產生污染。改用超濾工藝后，平均回收率可達97.18%；吸附損失為1.69%；透過損失為1.23%；截留率為98.77%。大幅度提高了白蛋白的產量和質量，每年可節省硫酸銨6.2噸，自來水16000噸。目前國外生產超濾膜和超濾裝置最有名的廠家是美國的Milipore公司和德國的Sartorius公司。國內的知名廠家有立升。

超濾在廢水處理中的應用

（1）還原性染料廢水處理；

（2）電泳塗漆廢水處理；

（3）含乳化油廢水處理；

（4）生活污水處理

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。我們都知道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、聚碸、聚丙烯腈、聚醯胺、聚碸醯胺、磺化聚碸、交鏈的聚乙烯醇、改性丙烯酸聚合物等等。

超濾廚飲用兩用機：①PP棉濾芯、②活性碳、③納米膜表超濾膜濾芯、④複合濾芯，五級過濾設備多加了一個後置活性炭，六級的多加了一個礦化濾芯就成立市場上見到的直飲水機。更多級的就加更多針對性的濾芯。

(1)增壓泵超濾膜以力差為推動力進行過濾，當原水的水壓不能滿足過濾需求時，系統需要增加泵加壓，以實現超濾膜分離作用，由於超濾膜的工作壓力較低，一般小於O·7MPa，故在系統設計時，一般選用離心泵，選擇離心泵的主要依據是揚程、流量、泵體材質，其次是泵的體積大小、外觀造型和價格等。

①揚程和流量的選擇根據超濾系統設計中所需要的進水工作壓力，跨膜壓差和通水流量，來選擇泵的揚程和流量。一般選擇水泵的揚程和流量應當等於或略大於設計供水量和工作壓力，以滿足超濾系統的正常運行。

②泵體材質的選擇根據原水水質的情況來選擇合適的泵體材質以減少投資成本，其材質不能與原水中的成分產生任何反應，也不能有溶解現象。當原水的pH值為6．5～8．5時可選用鑄鐵泵體；當原水為海水時，應選耐海水腐蝕的塑料泵體；醫藥和食品工業水處理卻一般選擇使用不鏽鋼泵體。

化學清洗泵一般選擇耐化學藥劑的泵體。

(2)減壓閥 當原水水壓大於系統設計水壓時，要對原水進行減壓。一般採用可減靜壓的減壓閥來實現，減壓閥減壓的精度視超濾系統而定。另根據原水的水質選擇適合材質的減壓閥，一般可選的材質為銅、不鏽鋼、鐵、塑膠。

(3)物理清洗和化學清洗系統 清洗系統主要由配藥箱、凈水箱、循環泵組成，採用氣水混合清洗的還包括空壓機，一般物理清洗分為等壓沖洗和反衝洗。等壓沖洗時是關閉產水閥，全開濃水閥，使原水以快於正常工作狀態時的流速沖刷膜表面，去除污垢。反衝洗是關閉原水閥採用循環泵，將凈水箱中的水從產水口打入膜組件。使凈水按正常過濾的反方向透過膜，沖刷掉膜表面的污染物，並使其從濃水口排出，反衝洗后，馬上進行等壓沖洗。能更有效地將被截留的污染物排出，為了加強清洗效果，順沖時，可採用氣水混合液進行沖洗。

化學清洗系統是用循環泵將配藥箱內的清洗液送入超濾系統，進行循環清洗和浸泡，靠化學藥品的作用去除膜表面的污垢，以恢復膜的產水能力，維持設計流量要求。

(4)消毒滅菌系統超濾的消毒滅菌系統所用設備和操作程序與化學清洗系統相同，僅需要將清洗液換成滅菌液即可，一般使用的滅菌劑為次氯酸鈉和過氧化氫，在選擇滅菌劑時要考慮劑膜的材質和滅菌劑濃度。例如Ps材質膜不能採用含有陰離子表面活性劑的滅菌劑，否則會對膜造成不可逆的通量損失。

(5)自動化計量、監控和儀錶

①計量水流量採用流量表來計量，流量計有轉子流量計、浮子流量計、電磁流量計、掙針式流量計等。在超濾系統中大多採用玻璃浮子(轉子)流量計，主要是顯示直觀，價格低，一台超濾系統最少需要設置兩個流量計以便觀察，一個是產水流量計，一個是濃水流量計或原水進水流量計。流量計規格的選擇是根據系統的流量大小而定，浮子流量計的選擇通常選用的量程為1．5～2倍的實際最大測量流量。

②監控系統及儀錶超濾系統在運行時，必須嚴格按照設計參數進行操作，這需要系統的相關參數進行監控，其中主要的監控項目是水質、流量、壓力，可以手動操作，也可採用儀錶和可編程式控制制器對系統進行自動控制。

對水質的監控可採用水質監測儀進行，對水壓的監控可採用壓力開關和壓力表進行，對流量的控制可採用電子流量計進行監測，並將監測信號反饋到PLC中，然後來控制泵，閥門及清洗系統，從而實現系統的自動化。

壓力是超濾系統的一個重要參數，故在壓力表選擇時，要注意其精度和耐用性。壓力表量程的選擇，以使用壓力能使指針處於刻度盤的1/2～2/3位置為宜，並要考慮水錘對壓力表的衝擊。