超濾法

超濾是利用半透膜的微孔結構，以一定的外界壓力(0.1～0.5 MPa)為推動力，實現對物質的選擇性分離、回收的膜分離方法。在污水處理中主要用於分離分子量大於500、直徑為0.005～10μm的大分子和膠體，如酶、蛋白質、病毒等中低濃度的高分子溶解態及膠體態污染物的分離與回收。

超濾技術由於操作簡單、能耗低、分離效率高，特別是可以回收有用物質，實現污水的資源化，在環境污染治理中受到高度重視。已在紡織印染、機械、石油化工、造紙、食品、醫藥等行業以及生活污水的處理與資源化利用中獲得了廣泛的研究和套用。

基本介紹

• 中文名：超濾法
• 外文名：Ultrafiltration
• 利用：半透膜的微孔結構
• 外界壓力：0.1～0.5 MPa
• 目的：實現對物質的選擇性分離、回收
• 套用：紡織印染、機械、石油化工、造紙

超濾的基本原理

當溶液以某流速流經具有一定孔徑的超濾膜表面時，在外界壓力的作用下，溶液中分子量小於膜截留分子量的溶質和水透過超濾膜，形成濾過液(簡稱濾液)，而分子量大於膜截留分子量的溶質則被膜所截留。隨超濾過程的進行，料液逐漸濃縮，達到一定濃縮程度時，以濃縮液(亦稱母液)的形式排出．溶液中不同分子量的溶質得到分離或濃縮。

一般認為超濾是一種篩分過程，膜表面的孔隙大小是主要的控制因素，溶質能否被膜孔截留取決於溶質粒子的大小、形狀、柔韌性以及操作條件等，因此通常用微孔模型來表示超濾的傳遞過程。但該模型存在局限性，它無法解釋膜孔徑比溶質分子大，卻有明顯分離效果的現象。

索里拉金認為超濾不僅僅是一種篩孔過濾的過程，膜孔徑是重要因素。另一重要因素是溶質-溶劑-膜材質的相互作用，包括范德瓦耳斯作用力、靜電作用力、氫鍵作用力，他認為膜孔徑和膜表面的化學特性分別起到不同的截留作用，更加全面地解釋了超濾過程，即超濾膜對溶質的分離取決於膜表面孔徑的機械篩分作用、膜孔的阻滯阻塞作用、膜面及膜孔對溶質的吸附作用。

超濾膜

工業使用的超濾膜一般為非對稱膜，可分為兩層，一層是超薄活化層，厚約0.25μm，孔徑為5.0～20.0nm，對溶液的分離起主要作用；另一層為多孔層，厚約75～125μm，孔徑約0.4μm，具有很高的透水性，起支撐作用。超濾膜和反滲透膜具有相似的製備方法，相似的結構和功能，一般用於製備反滲透膜的材料也可用於製備超濾膜，只是制膜液的組分配比和成膜工藝不同。索里拉金認為，可以把超濾膜看做是具有較大平均孔徑的反滲透膜。超濾膜有很多種類，國內外最常用的是醋酸纖維素膜和聚碸膜。醋酸纖維素膜首先在超濾中使用，雖然其pH適用範圍窄(pH值3～8)，不耐化學和生物侵蝕，有其局限性，但由於它可以製得切割分子量變化範圍較大的各種醋酸纖維素膜，用途廣，且價格低廉，仍在使用著。

聚碸是繼醋酸纖維素之後主要發展的一種超濾膜材料，聚碸分子中的碸基團使聚合物膜具有優良的抗氧化性和穩定性，醚鍵改善了聚碸的韌性，苯環提高了聚合物的機械強度，分子中所有鍵都不易水解，使聚合物具有可耐酸、鹼水溶液腐蝕的特性。聚碸是工業上套用極其廣泛的超濾膜材料，它具有價廉易得，機械強度、抗壓密性、化學穩定性、耐熱性良好及pH適用範圍寬(pH值為2～12)等優點。但其疏水性強，在超濾過程中易被污染，導致膜通量下降，故耐污染聚碸超濾膜的研發成為研究熱點。

超濾效率影響因素

在超濾過程中，影響超濾效率的影響因素主要有以下幾方面：

①操作壓力。由於超濾過程中在膜的界面處形成凝膠層，操作壓力增大到一定值後，透水通量不再隨壓力升高而增大，因而操作壓力要合適，過高的壓力不僅不能增大透水通量，還會壓實或損壞膜。實際超濾操作應在臨界透水通量附近進行，此時操作壓力約為0.5～0.6MPa。

②料液流速。增加料液流速，可以使膜面液流的湍流加劇，有利於減緩濃差極化、提高設備的處理能力，但料液流速過高，系統運行費用隨能耗的增加而加大，因此應將料液流速控制在適宜的範圍。一般情況下的超濾料液流速為1～3m/s。

③料液的預處理。為保證超濾系統正常穩定運行、提高超濾效率，在超濾前需對料液進行預處理。料液預處理的主要對象是懸浮物和pH值，預處理的方法根據料液性質和需要進行選用，可以相應採用過濾、化學混凝和pH值調節、消毒、活性炭吸附等方法。

④操作溫度。系統的操作溫度主要影響操作料液的黏度，在膜的材質和所處理料液允許的條件下，提高操作溫度有利於增加傳質效率，提高透水通量。

⑤膜的清洗。當膜的透水通量衰減到一定程度，就要進行清洗。膜的清洗方法有水力清洗、藥劑清洗和機械清洗等方式，通常應根據膜及處理料液的性質以及膜組件的型式進行確定。

超濾與反滲透的異同

超濾與反滲透都是以壓力驅動的膜分離技術．二者的套用範圍有所交叉，很難分界；所採用的膜均為不對稱微孔結構的半透膜，有相同的膜材料和相仿的膜製備方法．有相似的機制和功能；二者的分離均是溶劑透過膜而溶質被膜截留的過程。

超濾與反滲透的區別主要在於：①膜的結構不同，一般超濾膜較疏鬆、透水通量大、除鹽率低，而反滲透膜緻密、透水通量小，具有選擇透過性。②膜的透過機理不同，超濾膜的分離主要是篩濾作用，而反滲透膜的分離過程還伴有複雜的物理化學作用。③工作壓力不同，超濾過程能在較低的操作壓力下進行，操作壓力範圍一般在0.1～0.5MPa，而反滲透為克服滲透壓，必須施加較高的外界壓力，其操作壓力範圍在2～10MPa。④截留的溶質不同，超濾截留的是分子量大於500的大分子溶質．而反滲透所分離的一般是相對分子量低於500的糖、鹽等物質。