超滤膜基础

1.1超滤膜过滤原理

超滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而

原液中体积大于膜表面微孔径的物

质则被截留在膜的进液侧，成为浓

缩液，因而实现对原液的净化、分

离和浓缩的目的，参见图1-1。

1.2超滤膜材料及特性

目前制造中空纤维超滤膜的主要材料有聚丙烯腈（PAN）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）等。

a) PVC膜

-具有优良的化学稳定性，有耐酸、耐碱以及耐水解的性能，能广泛应用于各种领域；

-膜丝具有很好的强度和柔韧性，不容易断裂；

-膜丝内外表面平整、光滑，有光泽，膜丝不易污染；

- PVC膜材料是国内的食品级材料，并且经过亲水改性，具备很强的抗污染性。

b)PVDF膜

-耐紫外线和γ射线辐射，有优良的耐污染和化学侵蚀性能；

-耐热温度可以达到140℃，可采用超高温的蒸汽和环氧乙烷杀菌消毒；

-能在较宽的PH（1-13）范围内使用，可以在强酸和强碱和各种有机溶剂条件下使用。

1.3膜材料的改性

通过改性，可以使膜材料达到预期的某种性能要求，如提高机械强度，改善亲水性和改变荷电性等。常见的改性方法主要有接枝改性和共混改性，使用PVC 材料经共混改性后制成的超滤膜通常称之为改性PVC膜或PVC合金膜。滤

膜

壁质

1.4膜的亲水性和疏水性

一般而言，膜的分离体系均为水相体系。亲水性的膜表面与水形成氢键，使之处于有序结构，当疏水溶质要接近膜表面，必须打破这种有序结构，显然不易进行，所以膜面不易被污染。而疏水膜表面上的水无氢键作用，疏水溶质接近膜表面是个增熵自发过程，则膜易被疏水溶质污染。膜的亲水性和疏水性可用表面接触角来量度，接触角小，表明其亲水性好。

1.5超滤膜的性能表征

超滤膜的性能通常是指膜的物化性能和分离透过性能，物化性能主要包括膜的机械强度、耐化学药品、耐热温度范围和适用pH值范围等。分离透过性能主要指膜的水通量和切割分子量及截留率。

1.5.1超滤膜的水通量：

a)纯水通量：反映了超滤膜的透水性能，通常是指在25℃水温和0.1MPa

水压下，单位时间内、单位膜面积所透过纯水的体积。（单位：升/小时.

平方米.0.1MPa）

b)设计产水量：指单支超滤膜组件在标准的操作条件下的稳定产水量，

通常由超滤膜厂商提供给工程公司进行超滤系统工程设计参考，设计产水量包括了进水水质、水温、操作压力、进出水流量、pH值、耐相关化学物质等各种因素对超滤膜水通量的影响。

此外，超滤膜的水通量还与膜材料、膜丝结构、切割分子量、孔隙率、孔径分布等许多因素有关，水通量指标主要依靠超滤膜厂家的生产工艺来控制。

1.5.2超滤膜丝结构：

超滤膜属非对称膜，其膜的断面结构主要有三层：

a)多孔致密层：超滤膜起主要分离作用的就是多孔致密层，致密层的厚度直

接影响膜的水通量，致密层越薄相应的水通量越大，但太薄会影响膜丝的机械强度。致密层上孔径大（切割分子量大），孔径分布带宽则水通量也大，但其透过的物质体积也大，在相同切割分子量的情况下，单位膜面积上的微孔数量多即孔隙率大则水通量也大。

b)多孔支撑层：多孔支撑层起支撑作用，其结构和所用的膜材质性能对水通

量有一定影响。

c)过渡层：过渡层处于多孔支撑层与致密层之间，主要由海绵状的小孔组成，

其直径约为0.2-0.4um之间，在超滤膜使用过程中被压密而影响膜的水通量，过渡层厚度越薄则对水通量的影响则越小。

合理的超滤膜层结构不仅可以提高水通量，而且不易污染，膜性能恢复性好，目前常用的中空纤维超滤膜结构按致密层位置不同主要分为内单皮层、外单皮层和双皮层三种：

图1-2 超滤膜丝的断面结构

内单皮层结构的超滤膜丝是自内向外渗透，外单皮层结构的膜丝渗透方向相反，双皮层结构的超滤膜丝其渗透方向可以是自外向内，也可以是自膜丝内向外渗透，双皮层结构超滤膜丝机械强度好，可以使用顺冲法和反冲法进行清洗。

1.5.3过滤精度：

超滤过程中起分离作用的是膜丝上的多孔的致密皮层决定的，一般以致密皮层上微孔径大小和孔径的分布来衡量膜的分离透过性能：

a)截留率（R0）与切割分子量（MWCO）：

膜丝上微孔的形状和大小并非完全一致的，常使用截留率和切割分子量两个参数共同来衡量，截留率是指溶液中被截留的特定溶质的量所占溶液中特定溶质总量的比率。当90%的溶质被膜截留时，在截留曲线所对应该类溶质的最小分子量即为该膜的切割分子量。超滤膜的孔径大约在0.002至0.1微米之间，其对应的切割分子量约为1，000—500，000。

截留率R0=（1-C P/C F）×100%

R0 -表示截留率；

C P -透过液特定溶质的浓度；

C F -原溶液特定溶质的浓度。

b)孔径的分布：

相同切割分子量的超滤膜因膜丝上孔径大小分布的不同，其分离的效果也会有所差异，通常使用泡压法来测定超滤膜的孔径的分布，在一定的气压下测定通过膜孔的气体的流速来绘制的膜孔径分布图如图1-3所示：超滤膜上的孔径大小应均匀一致，孔径分布曲线窄，截留性能敏锐，选择性好。

图1-3 膜孔径分布

1.5.4 超滤膜的耐PH 值与耐腐蚀性：

耐PH 值是衡量超滤膜承受酸性和碱性介质能力，PH 值越小，耐酸性介质越好，PH 值越大，耐碱性介质越好；耐腐蚀性表示膜材料抵抗氧化、水解、老化和细菌侵蚀等的能力。

1.5.5 超滤膜的机械强度：

超滤膜的机械强度大小反映了膜丝抵抗断丝的能力，断丝使超滤膜失去分离性能，是评价超滤膜质量优劣的一项重要指标，机械强度由膜丝的断裂强度和断裂伸长率来表征。一般使用电子单纱测力仪测量单根膜丝的断裂强度和伸长率。 a ）断裂强度σ =F/S

其中：F —膜丝拉断时的拉力值（单位CN ） S —膜丝的截面积（单位mm 2）

c)

断裂伸长率δ=ΔL/L 0=(L-L 0)/L 0x 100%

其中：L -膜丝拉断时的长度（单位mm ） L 0-膜丝原始长度

1.6 超滤膜的过滤方式

一个中空纤维超滤膜组件主要是由成百到上千根中空纤维丝和膜壳两部分组成，一般将中空纤维内径在0.6-6mm 之间的超滤膜称为毛细管式超滤膜，毛细管式超滤膜因内径较大，因此不易被大颗粒物质堵塞，更适用于过滤原液浓度较大的场合。

1.6.1 内压与外压式过滤： a) 内压式过滤：

原液先从膜丝内孔进，经压力差驱动， 沿径向由内向外渗透过中空纤维成为 透过液为内压式过滤，如左图1-6所

原液

浓缩液

透

过液

中空超滤膜膜壳

环氧树脂端封

LE 列超滤膜孔径分布

系一般超滤膜孔径分布